1. Постановка задачи

В настоящее время многие вузы страны заняты развитием и модернизацией лабораторной базы по циклам естественнонаучных и общетехнических дисциплин. Эта работа выполняется на основе современных научно-технических достижений и, в первую очередь, новых информационных технологий. Анализ сложившихся тенденций и наш опыт работы в этой области показывает, что разработки ведутся в следующих основных направлениях:

1. Создание компьютерных лабораторных практикумов на основе моделей.

2. Создание пригодных для тиражирования лабораторных практикумов в виде автономных лабораторных стендов на основе ПК и относительно несложных внешних программно-аппаратных комплексов.

3. Формирование и практическая реализация условий для использования компьютерных лабораторных практикумов в режиме удаленного доступа в локальных и глобальных сетях.

4. Создание лабораторных практикумов на основе тех или иных компьютеров и сложного, зачастую уникального лабораторного оборудования, предназначенных для решения не только учебных, но и исследовательских задач. Каждый из этих подходов имеет свои возможности, особенности и области применения. На кафедре информационных систем Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технический университет) - МИРЭА более 5 лет развиваются первые 3 направления работ, полученные результаты коротко описаны ниже.

2. Описание решения

Значительный объем учебной нагрузки кафедры приходится на проведение лабораторных занятий со студентами, изучающими естественнонаучные и общепрофессиональные дисциплины. По нашему мнению лабораторный практикум по таким дисциплинам должен быть недорогим, пригодным к тиражированию, устанавливаться на платформе ПК и допускать удаленный доступ к ресурсам практикума. Примером реализации такого подхода являются разработанные нами LabVIEW практикум по основам измерительных технологий и LabVIEW практикум по аналоговой и цифровой электронике [1,2].

LabVIEW практикум по электронике создан на основе виртуальных средств измерений и состоит из 8 комплексных работ по аналоговой и цифровой электронике. В работах исследуются характеристики различных полупроводниковых диодов, тиристора, биполярного и полевого транзисторов, операционного усилителя, аналогового компаратора, основных логических и цифровых элементов, а также устройств на их основе.

LabVIEW практикум по основам измерительных технологий создан с использованием моделей средств измерений и охватывает 4 темы: обработка и представление результатов измерений (6 работ), поверка средств измерений (2 работы) и измерение электрических (8 работ) и неэлектрических величин (4 работы).

Оба практикума могут использоваться как в автономном режиме, так и в режиме удаленного доступа через локальную или глобальную сеть. Таким образом, реализованы все перечисленные выше требования.

Программное обеспечение этих практикумов зарегистрировано Роспатентом, заканчивается патентование решений по их аппаратному обеспечению, методическое обеспечение практикумов выпущено в виде ряда учебных пособий и прошло обсуждение в УМО по направлению «Приборостроение», практикумы (как в методической, так и в программно-аппаратной части) внедрены примерно в 20 образовательных учреждениях нашей страны.

3. Рекомендации по применению

Результаты обсуждения со специалистами, а также опыт применения собственных разработок позволяют сделать следующие замечания:

1. Лабораторные практикумы на основе LabVIEW компьютерных моделей просты и быстры в разработке, не требуют больших финансовых затрат на реализацию и легко распространяются среди пользователей. Затраты на ввод в эксплуатацию и сопровождение этих практикумов также незначительны. Достаточно сложной проблемой является выявление обоснованных требований к функциональным возможностям таких практикумов, особенно при необходимости встраивания в интегрированную систему электронного обучения, но методические основы решения этой проблемы в целом ясны. Весьма много времени может потребовать разработка методической документации, но, к сожалению, эта особенность присуща любым комплексным компьютерным лабораторным практикумам. И, конечно, главным недостатком практикумов на основе компьютерных моделей является оторванность процесса исследования от всего многообразия свойств и особенностей поведения реальных объектов, включая особенности работы реального экспериментального оборудования. В некоторой степени этот недостаток может быть компенсирован за счет создания высококачественного пользовательского интерфейса, что, в свою очередь, может заметно усложнить практикум и существенно повысить его стоимость. Несмотря на наличие указанных недостатков, простота и дешевизна модельных практикумов обусловила сегодня их широкое распространение, что требует на наш взгляд усиления внимания к разработке типового методического обеспечения и к разработке типовых решений в части интерфейса пользователя.

2. Относительно простые и недорогие, пригодные к тиражированию автономные лабораторные стенды (речь, конечно же, не идет об уникальных лабораторных установках), построенные на основе виртуальных средств измерения, лишены многих недостатков первого варианта. На наш взгляд именно по пути первоочередного развития таких решений следует двигаться при создании лабораторного обеспечения циклов естественнонаучных и общепрофессиональных дисциплин. Полагаем, что построение аппаратной части таких практикумов следует вести по модульному принципу. При этом конструкция модуля должна предусматривать использование надежного и удобного разъема для присоединения к лабораторной платформе, возможность наглядного представления используемых схем, а также возможность применения в составе модуля вторичного источника электропитания. Кроме того, среди основных проблем мы видим выбор (создание) надежной, недорогой, устойчивой к непрофессиональной работе, удобной для пользователя и подключения к ПК лабораторной платформы, пригодной для сборки на ней широкого спектра лабораторных макетов. Известная сегодня платформа NI ELVIS не во всем отвечает перечисленным выше требованиям. Что касается методического обеспечения и проблем пользовательского интерфейса, то они, как указывалось выше, являются во многом общими для компьютерных лабораторных практикумов всех типов.

3. Создание лабораторных установок с удаленным доступом позволяет решить целый комплекс проблем. Снижаются затраты на ввод в эксплуатацию и сопровождение установки, особенно при использовании уникального дорогостоящего оборудования, которое в ряде случаев даже не может тиражироваться. Снижаются затраты на организацию доступа студентов к лабораторным ресурсам, что особенно актуально в нашей стране, характеризующейся большой удаленностью отдельных географических регионов. При организации круглосуточной работы оборудования можно обслуживать пользователей из регионов, расположенных в разных часовых поясах. На наш взгляд среди наиболее существенных проблем здесь выделяются организация и управление массовым доступом, в том числе в части взимания платы в случае обучения бюджетных студентов, а также проблемы организации сопровождения ресурсов.

Проблемы создания уникальных компьютерных лабораторных практикумов представляют отдельный интерес и здесь не рассматриваются.

4. Используемое оборудование и ПО

Как показывает опыт в комплект практикума должно обязательно входить учебное пособие, где с единых методических позиций рассматриваются изучаемые студентами вопросы и даются рекомендации по выполнению лабораторных работ с использованием новых информационных технологий и современных программных и аппаратных средств. При написании приложений в среде LabVlEW наиболее удобно распространять прикладные программы на компакт-диске в виде исполнимых ехе-файлов.

Сегодня для выполнения типовых LabVlEW лабораторных работ необходим персональный компьютер типа Pentium IV с операционной системой Windows XP или старше и с установленной библиотекой элементов RunTimeEngine 8.2. В случае организации удаленного доступа требуется скоростной доступ к сети по выделенной линии.

В том случае, когда практикум создается с использованием технологии виртуальных приборов, необходимы устройство цифрового и аналогового ввода/вывода и лабораторная платформа. Сегодня эта проблема обычно решается путем приобретения лабораторной станции NI ELVIS или макетного коннектора SC-2075, а также DAQ-платы типа NI PCI-6251 или аналогичной. В ближайшее время можно ожидать более широкого внедрения USB-совместимых лабораторных платформ. Этот переход, практически сохраняя функциональные возможности позволит снизить затраты и расширить номенклатуру используемых компьютеров за счет ноутбуков, а в ряде случаев и КПК.

5. Преимущества технологии National instruments

Полученный на кафедре информационных систем МИРЭА опыт показывает, что использовании технологий компании National Instruments при создании рассмотренных выше категорий лабораторных практикумов позволяет повысить эффективность учебного процесса и поднять интерес студентов к изучению дисциплин. Затраты на обеспечение необходимым оборудованием и программными средствами при этом относительно невелики и сравнимы с затратами на оборудование нескольких рабочих мест в типовом дисплейном классе. При этом программные и аппаратные средства National Instruments отличаются весьма высокой надежностью и просты в использовании.

Литература:

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

2. Батоврин В.К., Бессонов А.С., Мошкин В.В., Папуловский В.Ф. LabVlEW: практикум по основам измерительных технологий. - М.: ДМК Пресс, 2005. - 208 с.