Лаборатория с удаленным доступом как альтернатива обучающему моделированию

Уже почти три года в нашем университете функционирует лаборатория электронных средств обучения. Основной задачей этой лаборатории является разработка лабораторий по техническим дисциплинам дня нужд дистанционного образования. На текущий момент в образовательный процесс внедрено два комплекса лабораторного практикума по курсам «Физические основы электроники» и «Микроконтроллеры и их применение» [1,2,3,5]. Студент, обучающийся по программе дистанционного образования, может, находясь в любой точке планеты через глобальную сеть Интернет, получить доступ к реальному оборудованию и выполнить лабораторную работу. Необходимость создания таких лабораторий обусловлена тем, что инженерное образование предполагает подготовку специалистов-практиков, имеющих навыки работы с приборами, а также для экспериментального закрепления пройденного материала. Лаборатории с удалённым доступом призваны не только дублировать лабораторный практикум очного обучения, но и позволить работать с уникальным дорогостоящим оборудованием, ставить реальные эксперименты из любой точки земного шара [4].

К сожалению, мнения многих преподавателей сводятся к тому, что в системе образования целесообразно везде, где это возможно, переходить в лабораторных практикумах от использования реального физического оборудования к математическому моделированию, то есть к использованию виртуальных лабораторий, оснащенных соответствующим прикладным программным обеспечением. Вызвано это тем, что экономически более эффективно оснастить аудиторию компьютерами, чем специфическим, как правило, дорогостоящим оборудованием. С этим сложно поспорить, но парадокс ситуации заключается в том, что как раз метод лабораторий с удаленным доступом позволяет сразу нескольким студентом работать за одной установкой. В этом случае рабочее место представляет собой ЭВМ с сетевым подключением, на которой запущено соответствующее программное обеспечение. На экране студент видит различные индикаторы, стрелки приборов, органы управления, и даже изображение исследуемой системы, полученное с веб-камеры. Здесь возникает дилемма: можно ли считать изображение на дисплее компьютера «реальным» оборудованием и чем оно отличается от имитации? Важен ли для инженерного образования эксперимент с настоящим оборудованием, или достаточно исследование систем, смоделированных программно? Тем более что порой модель предоставляет гораздо большие возможности маневрирования параметрами системы, нежели реальное оборудование, что важно для комплексного изучения предмета.

Как обычно происходит работа в лаборатории? В обычной лаборатории перед нами находится сам изучаемый объект, снабженный различными измерительными приборами. По ходу эксперимента мы можем изменять параметры изучаемой системы: крутить ручки, производить настройку измерительных приборов, устанавливать определенный режим работы и так далее. В результате работы у преподавателей и учащихся возникают специфические ощущения определенного таинства присутствия в лаборатории, возможности непосредственно влиять на ход работы, в сознании закрепляется образ реального физического эксперимента. Однако подобное представление экспериментальной практики является скорее стереотипом и имеет место лишь в не многих случаях. Дело в том, что существуют науки и их большинство, в которых близкий контакт человека и изучаемой системы невозможен. Так, при работе с вредными для здоровья человека веществами, при изучении удаленных объектов или, например, исследованиями Земли из близкого космоса, присутствие исследователя рядом с объектами и измерительными приборами затруднено. Для решения подобных задач, а они решались еще и в докомпьютерную эпоху, создавалось специальное оборудование для дистанционного управления и сбора экспериментальных данных. Команды в виде электрических сигналов по проводам направлялись с пультов управления на соответствующие исполняющие устройства (манипуляторы), а данные с измерительных приборов выводились на пульты контроля, в последствии замененные компьютерами. Радиосвязь использовалась для передачи команд и приема данных с оборудования, установленного на высотных аэростатах, искусственных спутниках Земли.

Ситуация резко изменилась с бурным развитием сети Интернет. Каналы связи между компьютерами стали доступны, надежны и дешевы. И, как следствие, удаленный доступ к изучаемому объекту стал применяться в педагогической практике в виде лабораторий с удаленным доступом для инженерного образования. Теперь исследуемый стенд может находиться в стенах учебного заведения, а студент с помощью ручек, рычагов и индикаторов на экране персонального компьютера может в полной мере выполнять экспериментальные задачи. Затруднение вызывает якобы отсутствующее ощущение физического эксперимента, и большинство преподавателей находят такую работу сродни имитации. И, как следствие, появление менее ресурсоемкой альтернативы – изучение предмета с помощью моделирующих программ. Имитационное моделирование позволяет с минимальными затратами на ‘железо’ смоделировать практически любой лабораторный эксперимент. Может даже оказаться, что компьютерная реализация исследуемого на лабораторном стенде процесса в методическом смысле будет наиболее удачной и полной. Но нельзя забывать о том, что речь идет о подготовке инженеров, ведь сущность инженерной квалификации заключается не только и даже не столько во владении формализованными методами решения инженерных задач, сколько в развитой интуиции, так называемом инженерном чутье, опирающемся на знание фундаментальных физических свойств технических объектов и процессов и умение глубоко анализировать эти свойства.

Что представляет собой модель? Модель – это искусственно созданный объект в виде схемы, физических конструкций, знаковых форм или формул, который, будучи подобен исследуемому объекту (или явлению), отображает и воспроизводит в более простом и огрубленном виде структуру, свойства, взаимосвязи и отношения между элементами этого объекта. [6] Таким образом, модель аппроксимирует уже известные правила и законы, тогда как в реальной системе всегда остается база для обнаружения новых зависимостей и качеств системы. При выполнении лабораторной работы на «живом» оборудовании студент не всегда получает полное подтверждение теоретическим выводам, всегда имеют место какие-либо странности. Иногда именно настойчивое внимание к таким странностям, к какому-либо отклонению от теоретической основы, которое могло остаться незамеченным другими исследователями, является источником нового знания. Но модель, как плод работы другого инженера, по сути, лишена возможности иметь эту ключевую «странность», а любые отклонения от теории вызваны неточностью модели.

Ниже на рисунке показано аномальное поведение выходной характеристики транзистора. Исследование проводиться с помощью лаборатории с удаленным доступом. На графике характеристики видно отклонение выходной характеристики от первоначального положения, вызвано это разогревание транзистора проходящим через него током. Повторить такой эксперимент при помощи моделирования крайне сложно.

Таким образом, модель в своей основе не несет нового знания, а только расширяет его и конкретизирует. Как сказал Ян Хакинг, Модели – посредники, которые покрывают некоторые аспекты реальных явлений, соединяя их с помощью упрощающего математического аппарата в теории, управляющие явлениями.[6]

Изучение материала с помощью моделирующей программы возможно, но, на мой взгляд, при этом происходит простое «натаскивание» студента. Другое дело если в процессе обучения студент после освоения теоретического материала самостоятельно строит свою собственную модель, тогда ему будет доступно менять не только параметры, но и основные принципы и законы. Но ведь, чтобы строить адекватные математические модели, необходимо глубоко понимать физическую природу объектов моделирования. Чтобы принимать технически грамотные решения при работе с системами автоматического проектирования (САПР) или другими человеко-компьютерными комплексами, необходимо уметь правильно воспринимать и осмысливать результаты вычислений, учитывать трудно формализуемые факторы, всегда имеющиеся в инженерной деятельности. Таким образом, осмысленная работа с моделями требует определенной инженерной квалификации, и, на мой взгляд, не допустима на начальном уровне инженерного образования[5].

В педагогической практике эксперимент ставится в основном для проверки теории. Лабораторные практики для студентов призваны проиллюстрировать теоретический материал, изложенный на лекциях, доказать его на практике. Но модель не может служить критерием истины. Говоря простым языком, эксперимент над моделью иллюстрирует лишь то, что ее автор хорошо разобрался в лекциях и способен проиллюстрировать это в виртуальной среде, но способность объяснения не дает гарантии истинности. Иначе дело обстоит с лабораториями с удаленным доступом: несмотря на то, при выполнении лабораторных работ дистанционно якобы присутствует психологического ощущения нереальности происходящего, результат работы может являться критерием истины, так как он является объективным.

В пользу использования моделирующих программ в лабораторном практикуме можно отнести то, что студент параллельно освоению основного курса получает навыки использования специализированного программного обеспечения, что особенно важно при стремительно растущей компьютеризации производства. Неотъемлемым достоинством таких программ, а в частности САПР, является освобождение инженера от сложных вычислений, замена рутиной работы творческой. Но при всей несомненной полезности автоматизация инженерного труда в учебных задачах не всегда приводит к повышению качества собственно инженерной подготовки. Студенты порой не получают в полном объеме даже тех знаний свойств технических объектов, которые им давало традиционное «докомпьютерное» обучение. К тому же относительная легкость получения результата с применением ЭВМ снижает интерес к самому результату. Так, поиск путем ряда проб оптимального или рационального решения в проектных задачах гораздо интересней и поучительней для будущего инженера, чем получение только одного оптимального проекта, который нельзя улучшить и не с чем сравнить. Плохую услугу инженерной подготовке иногда оказывает и скрытность вычислительных процессов, выполняемых на ЭВМ. Многие вычисления, которые мы нередко объявляем рутинной работой, обладают большим обучающим эффектом, так как позволяют проследить и понять связь значений варьируемых переменных технического объекта с его характеристиками.

Физический эксперимент позволяет органично связать практические и теоретические проблемы технических курсов в единое целое. Сложное экономическое положение в стране вынудило перевести многие учебные лаборатории на компьютерное моделирование, но сегодня появилась альтернатива – многопользовательские лаборатории с удаленным доступом. В своей работе я не пытался доказать очевидное – несравненное преимущества обучения инженеров на реальном оборудовании, я лишь поставил вопрос о целесообразности и допустимости перехода от обучающих программ к лабораториям с удаленным доступом.
 

Список литературы.

1. Borisov A.A., Popov N.V., and Shauerman A.A., “Foundations of making virtual laboratories in engineering education,” International Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM’2006, pp. 180–181, 2006.
2. A.V. Borisov, Member, B.I. Krouk, Member, N.V. Popov, A.A. Shauerman. Remote Access Laboratory for Electronic Course.THE IEEE REGION 8 SIBIRCON 2008 International Conference on "Computational Technologies in Electrical and Electronics Engineering" Novosibirsk Scientific Centre, Novosibirsk.
3. Жариков М.С.,Шауэрман А.А.,Попов Н.В. "Комплекс лабораторных стендов для дистанционного обучения" // Сборник тезисов докладов Всероссийской студенческой научно-практической конференции "Информационные технологии в мире коммуникаций"-М.:МТУСИ,2007.-с.6
4. Журавлева О.Б., Крук Б.И. Соломина Е.Г. Управление Интернет-обучением в высшей школе// под ред. Б.И. Крука. – Новосибирск: «Веди», 2005. –255 с.
5. Соловов Александр Васильевич. Виртуальные учебные лаборатории в инженерном образовании. Статья опубликована в сборнике статей "Индустрия образования". Выпуск 2. - М.: МГИУ, 2002. С-386-392.
6. Ян Хакинг. Представление и вмешательство. Cambridge University Press. 1983