1. Введение

Решение задач, стоящих перед приоритетными направлениями развития науки и техники, а особенно такого актуального как «Энергетика и энергосбережение», требует существенного пересмотра качества подготовки студентов и аспирантов, проведения НИР а также повышения квалификации подготовленных кадров в области критических технологий, включая нанотехнологии, которые в достаточной степени взаимосвязаны в широком спектре разделов современной физики. Особенно это касается таких ее разделов, как плазменные технологии, физика и химия плазмы, физическая кинетика, физика конденсированного состояния вещества, теплофизика, гидродинамика, атомная и ядерная физика.

Наиболее значимые научно-исследовательские работы по этим разделам физики были в основном сосредоточены в системе институтов РАН, и в большей степени ориентировались на решение конкретных технических задач.

Отсутствие средств у большинства ВУЗов, вплоть до начала реализации национального проекта «Образование», на внедрение новых образовательных технологий, модернизацию и техническое переоснащения экспериментальной исследовательской базы, а порой и полное ее отсутствие, не могли не повлиять на приток молодых кадров, желающих получить образование по данному направлению подготовки. По этой причине возникла реальная угроза потери преемственности научных школ и актуальных направлений исследований.

Реализуемая в рамках инновационного образовательного проекта (ИОП) РУДН магистерская программа «Прикладная физика и физическая информатика» является логическим продолжением работ, проводимых ранее совместно с рядом ведущих ВУЗов РФ. Эти работы были направлены на совершенствование системы подготовки специалистов в области естественных и инженерных наук с целью открытия перспективных направлений специализации, а также развитие научно- исследовательской инфраструктуры при плодотворном сотрудничестве с рядом академических институтов (РНЦ "Курчатовский Институт" «Институт космических исследований РАН», «Институт общей физики РАН») и корпорацией National Instruments.

В рамках Федеральной целевой программы РЕОИС и при участии корпорации National Instruments в семи ВУЗах различных регионов РФ, включая РУДН, были созданы центры, в которых проходит обучение слушателей современным методам проведения физических измерений и автоматизации эксперимента, проводится НИРС по внедрению указанных технологий в учебный процесс и производственные технологии на основе программно-аппаратных средств последнего поколения.

Одним из результатов внедрения описанного выше подхода в РУДН стало заключение ряда хоздоговорных НИР на разработку и поставку автоматизированных измерительных систем с крупными отечественными предприятиями. В 2004 году разработанный в РУДН многофункциональный измерительный комплекс внесен в реестр средств измерений в РФ и аттестован Госстандартом РФ.

Основное отличие реализуемых в данном проекте подходов от существующей в настоящее время системы подготовки молодых специалистов заключается в органичной взаимосвязи процесса образования и активного участия студентов в передовых научных исследованиях с целью привлечения и закрепления наиболее способных и подготовленных в науке и системе высшей школы и наукоемких отраслях производства.

2. Задачи проекта

• Обеспечение учебного процесса современными обучающими интерактивными программами, обучение слушателей и студентов методам компьютерной диагностики, обработки результатов измерений и автоматизации физического эксперимента, внедрение методов компьютерного моделирования сложных физических систем.

• Развитие и модернизация лабораторного практикума и демонстрационного эксперимента посредством внедрения современных измерительных, инструментальных систем и технических средств с целью интерактивного и автоматического проведения экспериментальных исследований в реальном масштабе времени за счет гибкой аппаратно-программной конфигурации.

• Совершенствование методов подготовки молодых специалистов высшей квалификации в области прикладной и вычислительной физики на основе широкого использования экспериментальной базы участников, применения компьютерных измерительных систем, вычислительных систем моделирования физических процессов и компьютерных обучающих программ.

• Создание условий для привлечения наиболее талантливой молодежи к получению образования в области прикладной и вычислительной физики, а также к последующей профессиональной деятельности в науке, наукоемких отраслях и образовании. Привлечение студентов к научно-исследовательским работам, включая работы по хоздоговорным тематикам в области прикладной физики и физической информатики.

3. Структура магистерской программы «Прикладная физика и физическая информатика»

«Измерения и приборы в физическом эксперименте» (бакалавриат)

Цель курса - обеспечение базовой подготовки в области физического эксперимента; ознакомление как с классическими, так и современными экспериментальными методами, измерительной техникой и научным лабораторным оборудованием; формирование практических навыков разработки и применения наиболее распространенных измерительных схем с учетом их функциональных особенностей, затрагивающих наиболее динамично развивающиеся направления прикладной физики.

«Современные графические среды программирования»

(бакалавриат)

Цель курса - обеспечение базовой подготовки в области использования среды графического программирования LabVIEW; введение в теорию и методику современного сбора данных; получение практических навыков в области современных методов получения и обработки экспериментальных данных с использованием новейших цифровых технологий; приобретение студентами базовых знаний в области автоматизации физического эксперимента.

«Физическая электроника»

(магистратура)

Цель курса - заключается в приобретении студентами глубоких и современных знаний о закономерностях электронного строения вещества и рассмотрении на этой основе его электромагнитных характеристик, физики полупроводников, различных видов эмиссионной и вакуумной электроники, физики и техники ускорителей, генерации и усиления электромагнитных сигналов. Основные задачи курса: развитие у студента навыка анализа процессов и их взаимосвязей, происходящих при изучении сложных физических явлений; изучение прикладных аспектов дисциплины, затрагивающих наиболее динамично развивающиеся направления прикладной физики.

«Физика газового разряда и ее современные приложения»

(магистратура)

Цель курса - обеспечение базовой подготовки в области физики плазмы и газового разряда, приобретение практических навыков работы с современными системами диагностики. Изучение процессов, протекающих в ионизованных средах, включая процессы, протекающие на поверхностях, являющихся основой новых технологий. Проведение физического эксперимента в одном из наиболее динамично развивающихся направлениях прикладной физики - физики газоразрядной плазмы.

«Электронные методы и приборы в современной измерительной технике»

(магистратура)

Цель курса — приобретение студентами знаний в области создания комплексных измерительных систем и систем управления для проведения сложных физических экспериментов. Овладение современными методами получения, преобразования, передачи и отображения экспериментальных данных, а также их математического анализа. Приобретение знаний о современных средствах измерения и преобразования сигналов.

«Программные и аппаратные средства современной схемотехники и основы программирования микроконтроллеров»

(магистратура)

Цель курса - обеспечение базовой подготовки в области применения пакетов прикладных программ и аппаратных средств для автоматизированного проектирования электронных схем. Приобретение студентами знаний и навыков в вопросах схемотехнического проектирования и моделирования современных измерительных электронных устройств, в том числе с использованием микроконтроллеров. Освоение студентов с технологическим циклом сквозного проектирования электронных устройств, включающим в себя изготовление и монтаж печатных плат.

«Системы технического зрения и обработки изображений» (магистратура)

Цель курса - обеспечение базовой подготовки в области систем технического зрения и обработки изображения; исследование структур построения систем технического зрения с информационной точки зрения; изучение программных и аппаратных средств предварительной обработки изображений и способов считывания и распознавания графической и символьной информации; изучение голографических методов и средств технического зрения; оценка применения систем технического зрения при постановке физического эксперимента и анализа его результатов, возможность проведения компьютерного моделирования систем технического зрения и проектирование алгоритма управления процессами обработки и анализа изображений, полученных в результате физического эксперимента.

4. Инновационная составляющая программы

Предлагаемая магистерская программа сочетает в себе изучение студентами как фундаментальных основ изучаемой дисциплины, так и современных подходов и решений применяемых при постановке и проведении физических исследований. Особое внимание уделено практическому аспекту подготовки, столь необходимой современному специалисту.

Инновационность магистерской программы находится в русле активного внедрения цифровых и информационных технологий. Лабораторные, практические и самостоятельные работы предполагают применение новейших образцов современной измерительной техники, а также управление работой научно-исследовательских установок на базе аппаратных и программных средств последнего поколения.

Приобретаемое в рамках средств ИОП оборудование включает в себя сложное лабораторное оборудование: современные многофункциональные вакуумные стенды, масс-спектрометр, источники ионов, рентгеновский спектрометр, оптические спектрограф и монохроматоры, ЭПР-спектрометр, прецизионный измеритель импеданса (Agilent), широкополосный анализатор спектра (НЧ, ВЧ, СВЧ -диапазонов), прецизионный широкополосный СВЧ генератор (Agilent), мощный многофункциональный СВЧ генератор и др.

Кроме того, лаборатории оснащаются широким спектром многофункционального оборудования производства корпорации National Instruments. Среди большого количества решений, позволяющих провести эффективную модернизацию практической составляющей обучения, особое место занимает пакет графического программирования (LabVIEW) и аппаратные модули широкого спектра применения компании National Instruments (NI), фактически ставшей в этой области лидером. Министерство образования РФ рекомендовало такой подход к внедрению в учебный процесс и научные исследования вузов [1]. Оборудование, встраиваемое как в персональные, так и в промышленные компьютеры, наряду с решением вопросов внедрения информационных технологий в учебный процесс преподавания естественно-научных дисциплин, позволяет унифицировать и значительно упростить постановку автоматизированных методик измерений в научных исследованиях, в том числе и по приоритетным направлениям в области прикладной физики, включая нанотехнологии. Такой подход обеспечивает возможность создания исследовательских установок, уровень которых соответствует самым современным требованиям.

Использование указанного оборудования позволит качественно переоснастить и модернизировать существующие лабораторные стенды и экспериментальные установки, а также создать новые рабочие места, оснащенные современным измерительным оборудованием и системами управления экспериментом для проведения НИР и НИРС. Развитием этих идей является более широкое внедрение компьютерных технологий и аппаратных ресурсов последнего поколения в научные исследования и учебный процесс, включая проектирование автоматизированных измерительно-управляющих устройств на основе программно-аппаратных средств (SCXI, PXI, LabCard., VME, VXI, GPIB, FPGA и др), а также инструментальных программных платформ (LabVIEW, LabWindows/CVI, Measurement Studio, IMAQ Vision, Nl-motion, P-spice, MatLab и т.п.) для различных практических приложений.

Широкие возможности, представляемые перечисленным оборудованием позволяют реализовать в учебном процессе уникальную возможность постановки лабораторных практикумов для создаваемых в рамках новой магистерской программы курсов. -

В курсах «Измерения и приборы в современном физическом эксперименте», «Физическая электроника», «Физика газового разряда и ее современные приложения» используются широкая линейка встраиваемых многофункциональных измерительно-управляющих плат (DAQ-карты, DIO, дигитайзеры и т.д.).

Курс «Основы графического программирования» базируется на использовании среды LabVIEW. Практикум курса, нацеленный на использование программных и аппаратных средств, поддерживается пакетом Developer Suite с дополнительными модулями Real time, Nl-motion, NI-FPGA.

Курс «Электронные методы и приборы в современной измерительной технике» оснащен широким спектром оборудования National Instruments: DAQ-карты, системы с PXI-шасси, блоки преобразования сигналов на платформе SCXI, системы реального времени на базе Compact RIO.

В курсе «Системы технического зрения и обработки изображений» задействована учебная лаборатория, основу которой составляют индивидуальные лабораторные рабочие места, оснащенные компьютерными системами технического зрения, в состав которых входят модуль ввода и захвата видеоизображения NI PCI-1405 и малогабаритная цветная видеокамера высокого разрешения CNB-MP1310VD. В большинстве лабораторных заданий практикума используется модуль NI-IMAQ Vision, включающий в себя развитые средства коммуникации разнообразных источников видеосигнала и обширную библиотеку обработки и анализа видеоизображения.

Курс "Программные и аппаратные средства современной схемотехники и основы программирования микроконтроллеров» поддерживается программным комплексом Nl Circuit Design Suite, в состав которого входит система моделирования электронных схем Multisim и модуль разработки, изучения и исследования микроконтроллеров MCU Module. Практические лабораторные работы по курсу проводятся в специализированной научно-учебной лаборатории, оснащенной автоматизированными рабочими местами разработчиков радиоэлектронной аппаратуры. В лаборатории задействованы 10 лабораторных станций Nl ELVIS, подключенные к многофункциональным измерительным платам Nl PCI-6251. В лаборатории также имеется комплект отладочных систем AT STK500 и демонстрационных модулей AT BUTTERFLY для обучения основам программирования микроконтроллеров фирмы Atmel.

Использование современных коммуникационных возможностей приобретаемого лабораторного оборудования и встраиваемого оборудования NI позволяет реализовать проведение учебных практических занятий в режиме удаленного доступа при постановке сложного натурного физического эксперимента. Такой подход позволяет создать ресурс доступа к сложному и дорогостоящему оборудованию и предложить его на рынке современных образовательных услуг.

Центр прикладных информационных технологий РУДН начиная с 2005 года в ходе выполнения ряда проектов, включая ФЦП, приступил к реализации такого подхода по разработке и внедрению комплексной системы индивидуальной практической подготовки специалистов в области естественных наук, техники и технологий на основе распределенной сети специализированного лабораторного оборудования удаленного доступа для системы непрерывного профессионального образования.

Основными компонентами системы лабораторий удаленного доступа РУДН являются: маршрутизатор; главный сервер (web-сервер и сервер баз данных); специализированные рабочие станции, к которым непосредственно подключено лабораторное оборудование.

Помимо диспетчерской функции маршрутизатор выполняет функции брандмауэра для обеспечения защищенности локальной сети, объединяющей лабораторные установки, от несанкционированного доступа извне.

Главный сервер представляет собой аппаратную платформу (2 процессора AMD Athlon МР 1800+, 2 Гб ЕСС RAM, SCSI RAID) под управлением операционной системы Microsoft Windows Server 2003 SP1. На главном сервере работает web-сервер Microsoft Internet Information Services и СУБД Microsoft SQL Server 2005 Express Edition, которая используется как для аутентификации и регистрации пользователей, хранения контента динамического web-сайта, так и для других служебных целей.

На специализированных рабочих станциях установлено лицензионное программное обеспечение LabVIEW 7.1.

В рамках данного проекта созданы дистанционные лабораторные работы по курсу «Техника физического эксперимента»: в рамках задач «Специальный физический практикум». В настоящее время на Всероссийском сервере Автоматизированного лабораторного практикума с удаленным доступом по общетехническим и специальным дисциплинам инженерного образования http://www.alpud.ru (см рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид страницы выбора работы из состава АППУД.

В подразделе сайта АЛП УД/Специальные разделы физики Российским университетом дружбы народов размещены комплексные лабораторные практикумы: «Топология стационарного магнитного поля», «Гамма-спектрометрия и радиометрия», «Изучение импульсных магнитных полей и скин-эффекта». Навигация и доступ к информации на web-страницы производится в принятых на этом сервере правилах.

После знакомства с основными параметрами, характеристиками и возможностями представленных лабораторных установок (рис. 2) по ссылке

WEB-ЛАБОРАТОРИЯ пользователь перенаправляется на сервер Центра прикладных информационных технологий РУДН. Здесь он имеет возможность зарегистрироваться и получить доступ к методическим материалам по теории и порядку выполнения лабораторных работ, пройти контрольное тестирование и скачать необходимые файлы для работы с аппаратно-программным комплексом.

Рис. 2.

Аппаратно-программный комплекс средств доступа к удаленному лабораторному оборудованию предназначен для дистанционного выполнения работ лабораторных практикумов по физико-математическим, инженерным и техническим специальностям с осуществлением реальных измерений и управлением реальными лабораторными установками через телекоммуникационные сети общего пользования (локальные вычислительные сети, Интернет). Работа на лабораторных стендах и установках осуществляется в реальном масштабе времени по компьютерной сети в последовательном многопользовательском режиме доступа к каждому объекту исследования. Также возможно параллельное выполнение учащимися лабораторных работ в режиме моделирования при запуске демо-версии приложений. Однако и в этом случае виртуальные приборы в демо-версии полностью сохраняют функциональные особенности своих реальных аналогов. Таким образом, предпочтительным является вариант, при котором студенты сначала тренируются работать на так называемом виртуальном тренажере лабораторной установки и только после приобретения определенного навыка смогут получить доступ к управлению реальным лабораторным стендом.

Комплекс работает под управлением операционных систем семейства Microsoft Windows® и представляет собой набор программ и аппаратных модулей, использующих технологии, компоненты и средства корпорации National Instruments®. Управляющие программные оболочки лабораторных установок созданы в программной среде LabVIEW и представляют собой виртуальные панели, отображающие на экране персонального компьютера все необходимые ручки управления, органы контроля и визуального отображения хода экспериментального исследования. Для выполнения лабораторных работ установка программной среды LabVIEW не обязательна.

В соответствии общепринятыми методическими рекомендациями предложен следующий порядок выполнения лабораторных работ:

1. При заходе на учебный портал Центра прикладных информационных технологий РУДН пользователь проходит стандартную процедуру регистрации, в частности, сообщает свою фамилию, имя, отчество, организацию, адрес электронной почты. Данные сведения позволяют проконтролировать и оценить востребованность предложенных ресурсов, а также сформировать и отправить пользователю отчет о проделанной им работе.

2. После регистрации пользователю открывается возможность выбрать лабораторную работу, ознакомиться с краткой теорией лабораторного исследования, с описанием и техническими характеристиками автоматизированного экспериментального стенда.

3. Следующий шаг - это виртуальный тренажер, который позволяет освоить управление стендом, наглядно продемонстрировать на модели процесс получения и обработки результатов, тем самым подготовить исследователя к работе с реальным, натурным экспериментом. Для запуска виртуального тренажера пользователю необходимо скачать набор файлов, установить на своем компьютере свободно распространяемый корпорацией National Instruments компонент RunTimeEngine и запустить исполняемый файл демоверсии лабораторной установки. Процедура установки компонента RunTimeEngine подробно рассмотрена ниже.

4. После работы на виртуальной модели лабораторной установки пользователю предлагается пройти тест. Тестовые вопросы - необходимый шаг для подключения к реальной практической части лабораторной работы. После успешного прохождения теста пользователь может получить моментальный доступ (при отсутствии очереди), либо отправить запрос для согласования времени проведения работы и получения пароля доступа к реальному управлению лабораторной установкой.

5. Заключительный этап - это натурный эксперимент. Управление реально действующим лабораторным стендом производится при предварительно установленном компоненте RunTimeEngine с помощью любого Интернет обозревателя, например, Microsoft Internet Explorer. Пароль доступа к управлению пользователь получает после полной регистрации, либо согласования времени и условий проведения экспериментальных исследований. Для этого необходимо заблаговременно отправить заявку по адресу: aitclab@inbox.ru. В согласованное время пользователь получает возможность выполнить упражнения лабораторной работы, и получить экспериментальные результаты.

6. Далее формируется отчет о проделанной работе. На заключительной стадии лабораторной работы запускается блок оформления отчета, где пользователь должен дать комментарии к соответствующим разделам работы, рассчитать некоторые характеристики и дополнить ими отчет, сформулировать выводы, выполнить необходимые редакторские правки.

Заключение

Разрабатываемая магистерская программа является плодом совместной работы коллектива авторов, состоящих из преподавателей РУДН и ведущих специалистов крупнейшего научного центра РФ «Курчатовский институт», института общей физики РАН, института нефтехимического синтеза им.А.В.Топчиева РАН, МГТУ им. Баумана Международного научно-учебного лазерного центра МГУ имени М.В. Ломоносова, других ВУЗов и академических институтов. Такой подход позволяет использовать последние достижения в области физического эксперимента, обеспечить проведение НИРС по самым актуальным и перспективным направлениям, включая нанотехнологии, относящимся к приоритетным направлениям развития науки, технологии и техники РФ, на современных электрофизических стендах и установках. Кроме того, широкое сотрудничество с ведущими научными центами и ВУЗами позволит применить последние разработки для постановки оригинальных экспериментальных работ лабораторного практикума, включая удаленный доступ.

Список литературы

1. Поляков А.А. «Новый подход к инженерному образованию», Центр-Пресс, Москва 2000, Отраслевой Стандарт 9.2-98 «Учебная техника для образовательных учреждений».