· Средства обучения нового поколения можно рассматривать не в виде отдельных понятий "объект", "стенд", "модель", "методические средства" и т.д., а как их неразрывную совокупность в виде комплекса аппаратных, программных, научных и методических средств, обеспечивающих полноценное изучение объектов в составе программно-технических и научно-методических комплексов по направлениям подготовки.
· Компьютеризированный учебный курс может быть реализован как в режиме прямого общения учащегося с преподавателем, который в реальном времени излагает основы теории и тут же иллюстрирует их средствами моделирования и эксперимента, так и в режиме самостоятельного изучения, когда учащийся самостоятельно выбирает время и последовательность изучения материала, исходя из собственных возможностей, а не следуя к жесткому регламенту образовательного учреждения.
Принцип "интеллектуализации объекта и средств обучения"
Общение человека со сложным оборудованием станет более эффективным и комфортным, если это оборудование будет иметь хотя бы простейший "интеллект", способный в любой момент дать информацию о текущем состоянии оборудования, направленно изменять это состояние, а также хранить в своей памяти типовые и оптимальные режимы работы. При этом наибольший эффект следует ожидать от интеллектуализации сложных технологических процессов и технических систем.
В общем случае можно выделить следующие признаки интеллектуальных технических систем, которые характеризуются наличием:
· сенсорной подсистемы, позволяющей судить о состоянии как самого объекта изучения, так и окружающей его среды;
· памяти, в которой сохраняется модель поведения объекта изучения и данные, необходимые для его функционирования;
· анализатора (вычислителя), предназначенного для выработки реакций на внешние воздействия.
Применительно к сложным техническим системам интеллектуализацию можно определить как процесс преобразования различных видов данных, происходящий в многоуровневой информационной среде и позволяющий эффективно решать задачи управления, диагностики и прогнозирования качества функционирования данной системы. При этом целесообразно выделять:
· интеллектуальную подсистему объектного уровня, где решаются задачи измерения параметров и управления объектом в реальном масштабе времени;
· интеллектуальную подсистему модельного уровня, где также в реальном масштабе времени решаются задачи идентификации параметров математических моделей, диагностики и прогнозирования состояния и, как результат - принимаются решения об изменении режимов управления объектом, вплоть до прекращения его функционирования.
Особенностью объектного уровня является наличие распределенного интеллекта, интегрированного в датчики, регуляторы, контроллеры. Такой подход позволяет резко снизить требования к быстродействию, объему памяти и стоимости распределенных вычислительных средств.
Принцип "распределения информационных и технических ресурсов"
В предлагаемой концепции построения автоматизированных учебных курсов предусматривается комплексный подход к объекту изучения, предполагающий изучение необходимого объема инвариантных фактографических материалов (справочно-информационные сведения, описание принципа действия, конструктивных особенностей, математическое описание и модельный анализ изучаемых физических процессов), а также обязательное экспериментальное исследование объекта с последующим математическим анализом полученных результатов. Все эти составляющие процесса обучения имеют различную информационную нагрузку на средства обучения.
В компьютерных технологиях наиболее доступными являются информационные ресурсы, которые легко хранятся и тиражируются на компактных носителях информации. Поэтому в настоящее время нет необходимости загружать компьютерные сети передачей инвариантных составляющих автоматизированных учебных курсов. Все это легко тиражируется и распространяется, например, на лазерных компакт-дисках.
Сложнее обстоит дело с доступом к техническим ресурсам, для чего, как минимум, необходимо реальный физический объект исследования превратить в источник доступной и управляемой информации, что и составляет суть принципа телекоммуникационного доступа к техническим ресурсам. Для практического воплощения этого принципа необходима последовательная реализация ряда мер, обеспечивающих синтез лабораторного оборудования нового поколения. В случае дистанционного доступа к лабораторному оборудованию подход к его автоматизации коренным образом меняется. При этом полностью исключаются любые неавтоматизированные операции как при управлении объектом, так и на этапе контроля его параметров.
Объект изучения должен стать "полностью управляемым" и "информационно прозрачным". Это означает, что любой значимый для изучения объекта параметр управления должен быть доступен для варьирования в широких пределах по любому заданному алгоритму, а любой значимый параметр контроля должен быть доступен для измерения с требуемой точностью.
Все это предъявляет повышенные требования к гибкости и перестраиваемоcти средств управления и измерения, которые могут быть реализованы практически только при условии интеллектуализации, т.е. применения в их составе высокопроизводительных микропроцессорных устройств с использованием технологии цифровых сигнальных процессоров. Наиболее важные узлы исследовательского оборудования: источники питания, нагрузочные устройства, регуляторы, сенсорные подсистемы и т.д. должны изначально проектироваться с программно перестраиваемой структурой и адаптивно перестраиваемыми параметрами.
Перечисленные выше особенности подготовки лабораторного оборудования нового поколения показывают, что оно должно быть уникальным по содержанию и исполнению, а, следовательно, и дорогостоящим. Иногда в качестве такого лабораторного оборудования могут применяться специально доработанные научные стенды как наиболее полно отвечающие задачам углубленного изучения физических процессов. Понятно, что широкое тиражирование такого оборудования практически невозможно, поэтому наиболее целесообразно обеспечить удаленный доступ к нему большого количества пользователей. В этом и заключается принцип распределения информационных ресурсов, находящихся в прямом пользовании каждого обучаемого, и технических ресурсов, находящихся в коллективном пользовании многих.
Структурно предлагаемый автоматизированный учебный курс по любому учебному направлению реализуется средствами программно-технического и научно-методического комплекса, который представляет собою совокупность нескольких функциональных подсистем, среди которых:
· объектная подсистема;
· информационно-измерительная подсистема;
· управляющая подсистема;
· моделирующая подсистема;
· программно-методическая подсистема;
· телекоммуникационная подсистема;
· удаленное рабочее место пользователя.
В рамках объектной подсистемы перечень объектов изучения рекомендуется делать открытым и последовательно развиваемым. Полный перечень должен соответствовать концепции базовой подготовки и учитывать особенности организации образовательного процесса в каждом учебном заведении. Конкретный набор объектов изучения формируется из перечня, регламентированного соответствующим учебным направлением
В качестве объектов изучения рекомендуется рассматривать специально разработанные физические модели-аналоги, а не промышленные образцы, поскольку промышленный образец всегда проектируется на эффективное выполнение узкой прикладной задачи, не содержит дополнительных информационных каналов и каналов управления и поэтому не соответствует задачам обучения. Лишь физическая модель-аналог, выполненная с соблюдением критериев подобия, снабженная многочисленными, физически разнородными информационными каналами и каналами управления - способна дать критериальные соотношения для выявления фундаментальных закономерностей изучаемых процессов.
Физические модели-аналоги объектов изучения, как правило, должны выполняться с изменением геометрических и энергетических показателей, чтобы исключить трудности размещения оборудования (лабораторные площади, энергосети, средства защиты и пр.). При этом изменение может быть любым, если оно не искажает изучаемые процессы и не создает трудности работы с объектом (съем информации, управление).
Исследователь должен иметь возможность реализации любого разумного режима функционирования объекта, кроме аварийных режимов. Для реализации такого подхода необходима многоуровневая система вычислительных средств:
· на объектном уровне - это, как правило, мультипроцессорная подсистема, построенная по идеологии цифровых сигнальных процессоров;
· на верхнем уровне — это сервер комплекса, выполняющий функции обслуживания внутренних и внешних информационных потоков и связей.
Комплекс должен быть открытым для свободного наращивания подготовленными разработчиками количества каналов измерения и управления, варьирования объектов изучения в рамках выбранного тематического направления, для чего он выполняется по блочно-модульному принципу с использованием отечественных и международных стандартов в части использования:
· конструктивных решений (например, АСЭТ, Евромеханика);
· интерфейсные средства (LabCard, VME, VXI, PXI и др.);
· программныхпродуктов (LabWindows/CVI, Component Works, PSpice).
Для повышения эффективности использования установленного оборудования каждый функциональный блок или модуль комплекса целесообразно рассматривать в одних случаях как объект изучения, а в других - как технологическое оборудование для изучения других объектов. При этом выбор конкретного объекта изучения и режимов его работы должен производиться автоматически по заданию удаленного исследователя.