Тенденция развития виртуальных лабораторных комплексов предполагает появление программных продуктов, которые могли бы настраиваться под требования различных предметных областей [4, 6–8]. Основная идея такой лаборатории заключается в том, что один объект с комплектом оборудования находится в распоряжении всех рабочих мест. Сервер измеряет и контролирует реакции объекта, принимает и обслуживает задания от клиентов – рабочих мест лаборатории. На каждом рабочем месте устанавливается только компьютер с программным обеспечением для управления объектом и лабораторным оборудованием сервера, а также обработки, визуализации и регистрации экспериментальных данных. Один из модулей подобной лаборатории обеспечивает обмен информацией между оборудованием, подключенным к серверной части, и удаленным рабочим местом через сеть Internet. При этом от клиентской части требуется лишь наличие программы-браузера и ряда заранее установленных специализированных библиотек.
Применительно к техническому образованию концепция виртуальной учебной лаборатории (ВУЛ) в потенциале ориентирована на реализацию указанных выше требований к компьютеризации инженерной подготовки, соответствует идеям открытого и дистанционного обучения и позволяет, хотя бы частично, сгладить остроту существующих ныне проблем материально-технического обеспечения учебного процесса [1, 2, 4, 5].
Web-лаборатории с удаленным доступом
При работе с системой обучения, предоставляющей развитую практическую составляющую (к примеру, продуманный реальный эксперимент) с активным применением персонального компьютера, стоит использовать понятие виртуальной лаборатории, либо лаборатории коллективного пользования, если подразумевается одновременное ее использование несколькими обучающимися.
Особый интерес представляют web-лаборатории с удаленным доступом. Они реализуются путем доработки программного обеспечения лаборатории с одним лабораторным сервером. В этом случае студенты получают доступ к оборудованию с помощью любого персонального компьютера, имеющего выход в Internet. Для начала выполнения работы обычно необходимо: зарегистрироваться на сайте лаборатории; скачать методическое обеспечение; скачать клиентское приложение.
При таком подходе возможно получение принципиально новых преимуществ:
– один сервер круглосуточно работающей виртуальной лаборатории обслуживает большое число учебных групп факультета вуза и даже нескольких вузов, в том числе находящихся в разных городах;
– появляется возможность исключить дублирование в разработке учебно-методических материалов на разных кафедрах, факультетах и в университетах;
– создаются уникальные условия для активизации самостоятельной работы студентов с дорогостоящим оборудованием, поскольку выполнять задания можно в любое удобное время и в любом месте;
– может быть изменена форма проведения лабораторных занятий – студенты тратят на выполнение заданий столько времени, сколько каждому необходимо в зависимости от уровня знаний и навыков;
– преподаватели освобождаются от рутинной работы, могут сосредоточиться на творческой интерпретации методик, индивидуализации заданий с учетом способностей и навыков студентов.
Структура web-лаборатории с удаленным доступом представлена на рис. 1 [1, 6].
Аппаратно-программные средства создания виртуальных лабораторных работ
Для проектирования комплексов, использующих определенное оборудование, такие решения встречают ограничения. Поэтому отдельно в категории инструментов для разработки стоит технология виртуальных приборов компании National Instruments. Мощная среда графического программирования этой технологии позволяет реализовать требуемые модели объектов исследования, а также использовать широчайший ряд аппаратного обеспечения (причем различных производителей) и набор средств, идеально подходящий для создания серьезных лабораторных комплексов при изучения различных дисциплин. При использовании среды программирования NI LabVIEW разработчик получает следующие преимущества:
1) гибкость создаваемых приложений при построении измерительных систем, которая достигается в зависимости от требований решаемой задачи, используемой компьютерной платформы, необходимости насыщения системы дополнительными средствами анализа и отображения данных;
2) высокие эргономические показатели создаваемых виртуальных приборов с точки зрения разрабатываемого человеко-машинного интерфейса измерительных систем;
3) широкий набор инструментов, предусматривающий:
– разработку интерфейса пользователя, работающего с измерительным и управляющим оборудованием;
– обработку результатов эксперимента;
– разработку сетевых приложений;
– обработку SQL-запросов и поддержки удаленных баз данных;
– создание Common Gateway Interface (CGI) и использование web-сервера и многое другое;
4) возможность включения разрабатываемых приложений в программные модули, написанные на других языках (C, C++).
Рис. 1. Структура web-лаборатории с удаленным доступом
Рис. 2. Пилотный проект iLabs в МАДИ
Согласно ОСТ 9.2-98 программная продукция компании National Instruments (LabVIEW, LabWindows, LabWindows/CVI и др.) – это сертифицированное инструментальное средство разработки программного обеспечения для универсальных систем общего назначения. Аппаратура компании полностью соответствует международным стандартам измерительных управляющих устройств и систем [1].
Применение технологии виртуальных инструментов позволяет создать для лабораторий коллективного пользования единый набор программных модулей, открывающий возможность гибкой настройки на каждом рабочем месте [3,5–10]. Аппаратное обеспечение и программное ядро от National Instruments, закладываемые в основу измерительного компонента лаборатории, делают его универсальным в отношении физического подключения объектов исследования из различных предметных областей.
Являясь членом Глобального консорциума интернет-лабораторий (GOLC) МАДИ имеет доступ ко всемирному репозитарию виртуальных лабораторных работ Lab2go (рис. 2). Создаваемые виртуальные лабораторные работы должны иметь доступ к реальному лабораторному оборудованию, допускать возможность сопряжения с пакетами научно-исследовательского программного обеспечения и специализированными базами данных по инженерным дисциплинам автомобильно-дорожного комплекса (для использования в учебном процессе в МАДИ), а также быть представленными во всемирном репозитарии виртуальных лабораторных работ lab2go.