Эмуляция и виртуализация в учебном процессе

Важным этапом эффективного образовательного процесса является физический эксперимент, стимулирующий активную познавательную деятельность и творческий подход к получению знаний. При традиционных формах образовательного процесса такая возможность реализуется в ходе выполнения необходимого комплекса лабораторных работ или практических занятий. Однако существует проблема ограниченности доступа обучающихся к наиболее интересному и уникальному оборудованию, техническим объектам, научным и технологическим экспериментам, которые подчас представляют наибольший интерес и стимулируют получение знаний. Даже в пределах одного учебного заведения массовый доступ к уникальному учебному оборудованию представляет определенную проблему.

В виртуальной лаборатории студент получает возможность использовать набор аппаратных и программных средств таким образом, что компьютер начинает выдавать данные как обычный электронный прибор. Кроме того, виртуальная лаборатория  обладает эффективным графическим интерфейсом пользователя, то есть развитую систему графического меню в виде наглядных графических образов привычной предметной области пользователя, обеспечивающий удобный интерактивный режим его взаимодействия с компьютером. Работая с виртуальным инструментом через графический интерфейс, пользователь на экране монитора видит привычную переднюю панель, имитирующую реальную панель управления нужного прибора.

Преимущества виртуальных лабораторий:

– не надо приобретать и устанавливать дорогостоящее оборудование и программное обеспечение;

– обслуживание всего оборудования и программного обеспечения осуществляется средствами колледжа;

– можно не бояться совершить ошибку и сломать систему, так как при любых проблемах можно быстро восстановить корректность и продолжить работу;

– система заранее сконфигурирована и подготовлена для выполнения практических заданий;

– преподавателю значительно проще помочь студенту при выполнении практического упражнения в виртуальной лаборатории, чем при любом другом способе выполнения практических заданий.

В учебном процессе доступ к ресурсам некоторых виртуальных лабораторий предоставляется удаленно через Интернет. Материал демонстрируется во время лекции как дополнение к материалу по общеобразовательным дисциплинам (физика, химия, биология, экология).

Кроме общеобразовательных дисциплин в учебном процессе существует большое количество профессиональных дисциплин технического профиля. В такой связке виртуальная лаборатория и материал спец.дисциплины позволяет проводить эксперименты, которые в процессе учебной деятельности показать порой невозможно. Примером служит монтирование высоковольтных линий, установка электрических счетчиков и т.д.

Оптимальным решением для создания лабораторных практикумов удаленного доступа является графическая программная технология, реализованная в среде программирования LabVIEW. С помощью LabVIEW можно создавать графические программы, называемые виртуальными приборами (ВП), вместо написания традиционных текстовых программ. При использовании ВП имеется возможность обмениваться данными с другими программами на собственном компьютере в локальной сети и/или Интернет.

В среде LabVIEW предоставлены большие возможности для реализации обмена данными через TCP/IP сети. Основой для передачи данных служит Web-сервер и инструмент WEB Publishing Tool, которые входят в любой из вариантов поставки LabVIEW. Web сервер LabVIEW генерирует HTML документы, публикует изображения передней панели в Сети путем встраивания ВП в Web страничку.

Пользователю доступны возможности разграничения доступа браузеров к публикуемым передним панелям и назначения элементов управления и/или индикации, которые будут видимы в Интернете.

Существуют следующие возможности работы в удаленном режиме:

 - Дистанционное наблюдение (мониторинг) - процессы, происходящие в лаборатории, наблюдаются через Web-браузер. При этом отсутствует обратная связь и возможность вмешиваться в управление процессом.

 - Дистанционное управление - появляется возможность изменять данные, управлять процессами, отправлять сообщения.

 - Совместная работа - возможна работа сразу нескольких пользователей с одним ВП, которые могут совместно создавать отчеты и общаться между собой.

Данные, полученные в режиме реального времени, передаются на лицевую панель, которую и наблюдает пользователь, находящийся на любом удалении от места проведения эксперимента. При этом он может задавать интервал температур, время опроса, то есть управлять программой, функционирующей в системе.

Во время выполнения лабораторного практикума симулируется работа генератора сигналов специальной формы, удаленный пользователь может управлять частотой, амплитудой и формой сигнала и с помощью виртуального двухканального осциллографа исследовать воздействия на резистивную, индуктивную, и емкостную цепочку.

Виртуальная лаборатория и входящие в нее лабораторные практикумы удаленного доступа это аппаратно-программный инструментарий, используемый в качестве объектно-ориентированной информационной среды для эффективного интерактивного обучения пользователя. Важными преимуществами применения технологий LabVIEW являются: возможность наглядной имитации реального физического эксперимента путем использования, наряду с привычными изображениями приборов, не только имитационных моделей реальных сигналов, но также и полученных ранее реальных экспериментальных данных, а также возможность управления практически любым реальным прибором.

Для специалистов информационного цикла моделирование процессов сети, настройка операционных систем и основные неисправности, возможно, изучать на виртуальных машинах VirtualBox. Данный продукт интересен тем, что можно установить любую операционную системе, не зависимо от производителя. На сегодняшний день корпорация Microsoftсоздала готовые виртуальные серверные системы Microsoft Windows Server 2008 с технологией технология Hyper-V. Есть аналогия в семействе Linux - Xen- кросс-платформенный гипервизор, с технологией виртуальных машин позволяет расширить функциональность оборудования. Основной концепцией гипервизора является домен. Доменом называется запущенная копия виртуальной машины. Если виртуальная машина перезагружается, то её домен завершается (в момент перезагрузки) и появляется новый домен. Более того, даже при миграции содержимое копируется из одного домена в другой домен. Таким образом, за время своей жизни практически все виртуальные машины оказываются по очереди в разных доменах. Xen оперирует только понятием домена, а понятие «виртуальной машины» появляется на уровне администрирования (прикладных программ, управляющих гипервизором). Студенты производят установку, администрирование и изучают возможные конфликты, настройки и особенности доменной архитектуры, на основании разнооперационных систем.

Хотелось бы обсудить специальности, которые изучают информационные технологии, как общеобразовательные дисциплины. Например, специальность «Электроизоляционная, кабельная и конденсаторная техника» требует введения виртуальной лаборатории по прокладке кабеля. В Саранском электромеханическом колледже внедрена лаборатория, позволяющая моделировать процессы производства и монтажа кабельных линий. Данный комплекс состоит из нескольких этапов: теоретические знания, видеофильм, тестовые вопросы, выполнение задания. Весь материал сопровождается звуком, подсказками, помощью. Но обучение проводит не компьютер, а действующее лицо в виде виртуального мастера. Медленно студент получает необходимые навыки, с использованием виртуальной лаборатории. Аналогичная программная оболочка, обучает ремонту электрической аппаратуры и электрических машин, техники безопасности.

  На сегодняшнем этапе развития информационных технологий, создание виртуальных лабораторий может проводиться учебным заведением самостоятельно. Приведу пример разработки для специальности Компьютерные системы и комплексы – лаборатория по моделированию неисправностей персонального компьютера и подключение периферийных устройств. Моделируются все возможные поломки, симптомы, методы решения проблем. Данная лаборатория создается студентами колледжа, под руководством преподавателей спец.дисцилин.

Виртуализация захватывает все больше своими возможностями, желанием обучать новым технологиям и увлекать студентов моделировать, конструировать и познать, что является основным требованием в стандартах третьего поколения.