science-review.ru
Современные технологии электронного обучения предъявляет новые требования к формам и способам организации электронных образовательных ресурсов, одним из видов которых являются виртуальные лабораторные практикумы (ВЛП). Большинством авторов ВЛП рассматривается как «аппаратно-программные комплексы с дистанционным (удаленным) доступом, предназначенные для имитации процессов, протекающих в изучаемых реальных объектах» [1].
Виртуальную лабораторию можно также определить как «программно-аппаратный комплекс, который позволяет проводить опытно-экспериментальные действия либо без непосредственного контакта с реальным лабораторным оборудованием, либо при отсутствии такового» [2].
Отсутствие непосредственного контакта предполагает управление лабораторной установкой дистанционно, с удаленным доступом. В этом случае существует реальная лаборатория, а также программно-аппаратное обеспечение для ее управления, обработки полученных цифровых данных и средства осуществления коммуникации.
В другом случае отсутствие соответствующего лабораторного оборудования можно заменить компьютерной моделью, отображающей все реальные процессы.
Несмотря на то, что виртуальными часто называют лаборатории обоих типов, в большей степени это название подходит к лабораториям второго вида, речь о которых и пойдет далее.
Необходимость разработки виртуальных лабораторий связана с трудностями создания лабораторий в условиях реального образовательного процесса. Эти трудности могут возникать как при создании новых, так и при модернизации лабораторий со старым оборудованием. Таким образом решаются вопросы закупки дорогостоящего оборудования, реактивов и расходных материалов.
Кроме того, виртуальные лаборатории позволяют: визуализировать процессы и явления на экране компьютера; моделировать процессы, протекание которых в реальных условиях принципиально невозможно; наблюдать процессы и явления в другом масштабе времени, ускоряя и замедляя процесс их протекания [1, 3]. Немаловажным преимуществом виртуальных лабораторий является их безопасность, особенно в случаях, связанных с опасными условиями протекания экспериментов.
Управление виртуальными процессами компьютером дает возможность быстрого проведения серии опытов с различными входными и выходными параметрами, что часто является необходимостью при определении зависимости между ними. В некоторых случаях требуется последующая цифровая обработка достаточно больших массивов данных, которая также выполняется компьютером после проведения серии экспериментов.
Виртуализация процессов позволяет избежать ошибок, связанных с вводом данных в реальную установку, так как в случае виртуальной лаборатории это происходит автоматически с последующим сохранением в электронной таблице результатов экспериментов. Это позволяет не только значительно уменьшить процент ошибок, но сэкономить время.
Отдельное преимущество виртуальной лаборатории заключается в возможности ее использования в дистанционном обучении, когда у обучающих отсутствует возможность работы в лабораториях образовательной организации.
Конечно, приобретение компьютерного оборудования и соответствующего программного обеспечения для виртуальных лабораторий также требует определенных материальных затрат. Однако этот недостаток компенсируется универсальность компьютерной техники и долговременностью использования виртуальной лаборатории.
Для построения инфраструктуры виртуальной лаборатории необходима некоторая универсальная схема, в которой формализуется описание данных, моделей, методов, приложений и результатов. Это дает в последующем возможность конструировать различные методики из элементарных приложений.
Как правило, эта схема предусматривает «средства численного моделирования различных процессов и явлений, источники данных, в том числе – эмулирующие процессы в информационно-измерительных системах, инструменты интерпретации полученных результатов (включая визуализацию), а также инфраструктуру, обеспечивающую их использование посредством сети Интернет» [4].
Рассматривая виртуальную лабораторию как систему, можно выделить в ней определенную иерархию подзадач, реализуемых в рамках определенной алгоритмической структуры. Декомпозиция на уровни и подзадачи определяется особенностями задачи и существующими взаимосвязями в системе. При этом все решаемые задачи должны быть синхронизированы и согласованы. Формальная декомпозиция должна быть проведена и в структуре системы. Необходимо разделять информационные и управляющие связи. Это позволит сформировать заданный функционал системы и сделает ее открытой для включения новых методов и приложений. Наличие формализованного описания приложений и данных, а также совместное использование введенных операций даст возможность создавать программные методики более высокого уровня.
Возможностями используемой инструментальной среды определяются особенности конструирования сценария. Она характеризуется формализованным описанием функциональных возможностей элементарных приложений, особенностями среды алгоритмизации и среды формирования иерархии сценариев.
В общем случае сценарий может рассматриваться как совокупность элементарных приложений (кадров, фрагментов) с конкретной алгоритмической структурой и определенными данными. Каждый такой фрагмент характеризуется типом данных, уровнем сложности, технологией доступа к данным, временем принудительного начала и окончания предъявления, а также большим количеством прочих параметров и признаков.
Уровень доступа определяется созданной иерархией сценариев, которая определяет вложенность реализуемой структуры и позволяет своевременно блокировать вложенные процессы. Решение вопросов согласования данных различных приложений обеспечивается возможностями настройки параметров системы, включенных в общий сценарий.
Пользовательский сценарий создается на основе использования стандартизированного интерфейса, формирования алгоритмической структуры программных приложений и задания переходов между ними по условиям его завершения. Механизмы реализации пользовательского интерфейса направлены на оперативное создание пользователем необходимых методик посредством типового набора универсальных приложений. Помимо реализации основных алгоритмов исполняемые приложения должны обеспечивать работу с внешними файлами, обмен данными по сети, запуск и взаимодействие с внешними сервисами посредством OLE-автоматизации [5,6].
Таким образом, функциональные возможности пользователя обеспечиваются специализированными конструкторами и особенностями интерактивного сценария, определенного иерархией созданных приложений, алгоритмической структурой, параметрами запуска и блокировки параллельных процессов.
Разграничение функционала инвариантной и предметных составляющих виртуальной лаборатории позволяет сделать наиболее технологически удобным процесс перепрограммирования части системы. Доступность приложений друг для друга обеспечивается единообразием данных и связей. Подобное распределение функций являются скрытым от конечного пользователя.
Несмотря на явные преимущества применения виртуальных лабораторий в учебном процессе их количество достаточно мало. Это обусловлено, прежде всего, дороговизной их разработки. Профессиональные программисты, дизайнеры и специалисты в моделируемой области не заинтересованы в подобной разработке, так как ее высокая стоимость мешает широкому распространению. Непрофессиональные разработчики создают виртуальные лаборатории, моделирующие узкий класс процессов. Это определяет их невысокую стоимость, но конечный пользователь не всегда получает удовлетворительный результат.
Главным недостатком виртуальных лабораторий считается отсутствие прямого контакта с объектом исследования, приборами и аппаратурой. Нельзя отменить необходимость приобретения опыта работы с реальным оборудованием. Поэтому в реальной образовательной практике необходимо сочетание использования реальных и виртуальных лабораторий с учетом присущих им достоинств и недостатков.
Таким образом, продуманное сочетание использования реальных и виртуальных лабораторий позволит обеспечить наибольшую эффективность образовательного процесса в сочетании с меньшими финансовыми затратами.