Дистанционные технологии в образовании

Московскийгосударственный институт радиотехники, электроники и автоматики
(техническийуниверситет)
Конспектлекций
по дисциплине
Дистанционныетехнологии в образовании
Москва 2005

1.Образование как вид коммуникации
Эта глава рассматривает образование сточки зрения характерных для него основных коммуникационных функций. Затем мыпроследим, каким образом в аудитории осуществляются эти функции и какинформационные технологии могут быть здесь использованы для улучшения работы.
Образование — широкий термин, включающий всебя передачу знаний, навыков и воспитание детей. Под образованием такжеподразумевается обучение без участия преподавателя, с помощью заочногопреподавания или самоучителя. Несмотря на все вышесказанное, главным местом,где происходит обучение, является класс.
Коммуникация в классе — развивающаясяобласть исследований, включающая в себя межличностные, личностные, групповые икультурные способы общения в классных помещениях. Она изучает как вербальные,так и невербальные виды коммуникаций в классе. Уделяется также внимание такимтрудностям коммуникации между учащимися, как коммуникативное понимание,отсутствие навыков восприятия на слух и проблемы самовыражения.
Можно ли, используя весь потенциалинформационных технологий, создать коммуникационную систему обучения болееэффективную, чем класс? Если мы будем рассматривать классное помещение каксредство общения и попытаемся на основе информационных технологий создатьмеханизм более совершенный, традиционные методики исследований, теориикоммуникаций и воспитания будут нас ограничивать. Они описывают и объясняют ужесуществующее, а не возможное. Однако наиболее подходящим здесь может статьиспользование методов и теоретических структур, заложенных в основе самойинформационной технологии. Необходимо найти способ, позволяющий объединитьвозможности информационных технологий с точки зрения коммуникационной иобразовательной теорий. Пока же профессионалы, работающие в этих трех сферах,напоминают слепых мудрецов, пытающихся определить, как же выглядит слон, лишькасаясь его.
Поскольку индустриальное обществопревращается в информационное, обыкновенные системы коммуникации становятсяинформационными. Если раньше коммуникация основывалась на контактах с помощьюбумаги или личных встреч в определенных местах, то теперь для общения мы всечаще используем средства информационных технологий. Прежде общество зависело оттранспортных систем, обеспечивавших доставку людей и документов, а в настоящеевремя оно все больше зависит от телекоммуникаций, передающих необходимуюинформацию. На заре своего развития информационные технологии использовалисьлишь для облегчения обычных коммуникаций. Телевидение заменило театр в жизнимногих людей. Телефонный разговор избавил от необходимости куда-то ехать ивстречаться с кем-то лично. Но происходящие сегодня изменения гораздо серьезнее.Это изменения в самой системе коммуникаций.
Возьмем в качестве примера банковское дело— обычную коммуникационную систему, мало изменявшуюся на протяжении столетий.Люди ездили в банки, чтобы совершить некие операции с деньгами, существовавшимив основном в виде информации на банкнотах и чеках. Первоначально контактыосуществлялись либо в самом банке, либо по почте. Банки одними из первых началииспользовать компьютеры, выполнявшие в то время лишь вспомогательные функции понакоплению и обработке информации. Сегодня компьютеры подсоединены ктелекоммуникационным банковским системам, для обслуживания клиента используютсябанковские карточки, и все операции осуществляются непосредственно с его счета.Автоответчики заменили секретарей. Кредитные карточки имеют хождение по всемумиру. Банковское дело превратилось в информационную систему. То же самоепроисходит на промышленных и коммерческих предприятиях, везде, где существуеторганизованная коммуникационная система. Образование тоже является таковой, и, всвою очередь, оно должно претерпеть изменения. Этот переход неизбежен,поскольку задача образования — готовить людей к жизни в информационномобществе.
/>
Рис.1. Коммуникационные системы
В случае если информационная технологияиспользуется в области обычной коммуникации, прибегают к системному анализу,состоящему в осмыслении того, как коммуникация, рассматриваемая как некаясистема, может быть усовершенствована с применением информационной технологии.В условиях обычного, традиционного общения люди редко придают большое значениехарактеру контактов между собой. Для них это — нечто обыденное, повторяющееся,ставшее привычным, и хотя вопросы, ставящиеся при системном анализе, обычнопросты и очевидны (например: “Какова цель коммуникационного процесса?”), онизаставляют тех, к кому обращены, вновь задуматься над природой собственныхдействий. Именно в этом и состоит задача данной главы — представить образованиекак коммуникационную систему, чтобы затем понять, каким образом информационныетехнологии могут поднять его эффективность. С этой позиции мы и начнем изучениеприроды образования. 1.1 Что такое образование?
Это нечто врожденное или это то, что в насвоспитывают большую часть жизни? Здесь мнения изучающих образованиеразделились. Конечно же, и генетическая наследственность, и окружающая человекасреда вносят свой вклад в процесс воспитания. Но вопрос о том, что же вдействительности является основой формирования личности, становится правовой иполитической проблемой нашего времени. Является ли существование насильников,антиобщественных элементов, безработных следствием генетическойпредрасположенности, или отсутствия родительской опеки, или характерапросмотренных ими телепередач, или ошибок школьных учителей?
Даже если окажется, что генетическийфактор играет решающую роль в формировании личности, конкретным способомподготовки человека к занятию своего места в обществе остается созданиеэффективной коммуникационной системы образования для всех, кто в ней нуждается.
Одним из сторонников теории решающеговлияния среды в образовании был Л. С. Выготский, чьи работы вызвали в последниегоды большой интерес. Его концепция зоны ближайшего развития (ЗБР) позволяетрассмотреть обучение как коммуникационный процесс. 1.2 Зона ближайшего развития
Выготский определяет ЗБР так: “Дистанциямежду настоящим уровнем развития, обусловленным способностью самостоятельно решатьзадачи, и уровнем потенциального развития, определяемым способностью выполнятьзадания под руководством взрослых либо более опытных ровесников”. Говоряупрощенно, ЗБР — это разница между тем, что человек способен сделатьсамостоятельно, и тем, что может выполнить с помощью более опытных людей. Дляоказания такой помощи и существует система образования. Понятие ЗБР позволяетрассматривать образование вне рамок школы и класса. ЗБР отвечает на вопрос:“Какова задача образования?”, утверждая, что это — оказание помощиобучающемуся, позволяющее ему выйти на такой уровень развития, которого он не всилах достичь самостоятельно.
Выготский изучал теорию образования какодин из основных видов человеческой деятельности.
Концепция ЗБР подразумевает, что любая системаобразования включает в себя людей-учителей и людей-учеников, а такжекоммуникационный процесс между ними, позволяющий преподавателям помогатьучащимся выполнять задания, с которыми те не могут справиться самостоятельно2.Кроме того, “выполнение заданий под руководством… либо при участии” означаетналичие практики и обратной связи, а также динамическую двустороннююинтерактивную коммуникацию между учителями и учащимися. Чего не мог знатьВыготский, живший в предкомпыотерную эру, — это того, что наставником ученикувовсе не обязательно должен быть человек. Как и не мог предполагать, чторазвитие телекоммуникаций, как и вычислительной техники, может означать, чтоучитель, человек он или нет, может находиться где угодно и контактировать сучеником лишь в виртуальном смысле.
Выготский думал о развитии способностей удетей. Сегодня образование понимается скорее как процесс, длящийся напротяжении всей жизни, чем как подготовка ребенка к взрослой жизни. КонцепцияЗБР соответствует такой трактовке, и большинство новых последователейВыготского пытаются найти ей более широкое применение. Еще одно направлениедальнейшего развития идей Выготского, достаточно важное для новой парадигмыобразования, — понятие о процессе преподавания как о коллективной деятельности,а обучения — как групповой. Этой темой занимался коллектив под руководством М.Коула в проекте “Пятое измерение” при Лаборатории сравнительного изучениячеловеческого знания в Сан-Диего. В различных юношеских центрах дети в группахпостигают сложности компьютерных обучающих игр. Учащиеся представлены образами,существуют в особом мире с его собственными правилами, которые им необходимоизучить, чтобы справиться с задачами различных уровней сложности. Этот методявляется развитием идеи Выготского о классе как средоточии взаимодействия“учитель—ученики”. Он опирается на “социальную нейтральность” обучения ипредставляет собой попытку использовать простую, основанную на компьютеревиртуальную реальность для поисков новой образовательной парадигмы. Образование— это не просто процесс взаимодействия людей в ролях учеников и учителей. Этоеще и взаимодействие между знанием проблем и способами их разрешения вконтексте данной культуры. Процесс “выполнения задания”, как монета,
имеет две стороны: “задание” и “знание отом, как выполнить задание”. Проблемы в области здоровья, социальных контактов,одежды, жилища, а также территориальные конфликты присутствуют у всех народов.Существование этих вопросов заставило представителей различных культур искатьспособы их разрешения, со временем вросшие в образовательные институты.Культура — способ контакта общества с окружающим миром, а образование —процесс, в ходе которого осваиваются все устоявшиеся, аккумулированные знания. 1.3 Четыре основных фактораобразования
В своей теории ЗБР Выготский выделяет трифактора, обусловливающих образовательный процесс:
• некто выступает в роли обучаемого;
• некто выступает в роли учителя;
• нечто составляет задачу, которуюобучаемый пытается решить с помощью учителя.
Косвенно существует и четвертый фактор —теория — сведения, необходимые для выполнения задания. Нам представляется, чтоименно взаимодействие этих четырех факторов — ученика, учителя, теории изадания в конкретном контексте — составляет основной коммуникационный процесс,именуемый образованием. Без наличия всех этих факторов процесс обученияневозможен, но совокупность этих факторов существует лишь на определенномотрезке времени, необходимом для приобретения учеником навыков в решенииконкретных задач. Когда человек “знает”, как “выполнить задание”, он больше ненуждается в “учителе” и не является больше “учеником”. Уже нет ЗБР. С этойточки зрения “теория” существует только по отношению к определенной категории“заданий”, и роль учителя существует только в отношении того, кто принимаетроль ученика в рамках определенной категории заданий. Упомянутые четыре факторамогут приобретать различные формы и могут существовать на разных уровняхсложности.
Пример 1
На доске написана задача, которую пытаетсярешить группа учеников. У них есть учебник, в котором содержатся сведения,необходимые для решения, в классе находится учитель, чтобы помочь им справитьсяс заданием. В этом случае все четыре фактора имеют конкретное воплощение.Конечно, если в учебнике не содержится необходимой информации учитель неподготовлен для преподавания предмета, а ученик не хочет научиться решать тузадачу, что написана на доске, — факторы взаимодействовать между собой не будути, следовательно, процесс образования не пойдет.
Задание не обязательно должно бытьнаписано на доске. Оно должно быть сформулировано в мозгу учителя. Учительможет изложить его ученикам и в устной форме. И в этом виде его такжезафиксирует мозг учеников. Сведения, необходимые для выполнения задания,содержатся в уме учителя, так же как и в учебнике. Учитель может передать ихученикам в ходе объяснения. Теперь ученикам предоставлены и задание, итеоретический материал, необходимый для его выполнения, но они не знают, каквсе это совместить. Учитель использует доску для решения задач. Ученикиулыбаются и кивают, когда улавливают связь. Учитель приводит еще несколькоаналогичных примеров, чтобы убедиться, что ученики все поняли, и ЗБРиспаряется. В том, что касается этого типа задач, ученик уже не являетсяучеником, а учитель — учителем, потому что обучаемые уже знают, как справитьсяс такими задачами.
Пример 2
Группа учащихся изучает коллективнуюработу в телестудии по созданию видеопрограммы. Ими руководят профессиональныеработники студии, в данном случае выступающие как коллектив преподавателей.Каждый обучающийся выполняет в студии определенную роль — ведущего, оператора,выпускающего, технического директора и др. Они выступают в качестве коллектива,снимающего короткий видеосериал.
Кроме того, что каждый из обучающихся поочереди должен получить различные навыки, такие, как выступление перед камеройили управление ею, они должны научиться работать в “команде”, т. е. научитьсярешать групповые задачи. Коллектив преподавателей кроме оказания помощи каждомуиз студентов также учит их взаимодействовать друг с другом, добиватьсясогласованных действий. Задача состоит в том, чтобы научиться эффективно,использовать пространство и оборудование студии для записи видеопрограммы.Необходимая информация об этом содержится в учебнике, который студенты изучалиперед практическим занятием, обладает ею и коллектив студии. Хотя обучающиесязнают, с чего начать, задача для них очень непроста. В качестве группы онипредставляют собой ЗБР и нуждаются в помощи профессионалов. В ходе выполненияпрактикантами различных заданий происходят изменения. К моменту, когда каждыйиз них исполнит все предложенные ему роли, помощь преподавателей им больше нетребуется. Что-то подобное обучению езде на велосипеде произошло на уровнеколлектива. Хотя еще есть чему поучиться, основные навыки по координацииразличных действий приобретены. Обучающиеся знают, как произвести записьвидеопрограммы в студии.
Пример 3
В 1964 г. Эфиопия решила перейти от левостороннего движения к правостороннему. Направление дорожного движения — проблема,касающаяся каждого в стране. Как пешеходы, так и водители должны соблюдатьправила. Обычно люди обучаются правилам дорожного движения индивидуально, но вэтом случае вся страна должна переобучиться за сутки. Ведь такие изменениянельзя вводить поэтапно. Задача состояла в том, чтобы научиться ездить попротивоположной стороне дороги и приспособиться к новому направлению дорожногодвижения. Обучалось все население страны, большинство которого было неграмотным.В роли учителей выступили группа иностранных советников и эфиопы изКоролевского дорожного управления правительства Хайле Селассие, детальнознавшие, что необходимо сделать для решения этой задачи. За много недель донововведения они начали проводить общенациональную кампанию с использованиемрадио и средств наглядной агитации. Активисты этого движения были направлены накаждый рынок, в каждую школу, в каждое многолюдное место. Таким образом, знанияправительственного управления дорожного движения были переданы целой нации.Несмотря на прогнозы, предвещавшие неслыханное количество дорожныхпроисшествий, при переходе на новые правила не произошло ни одного несчастногослучая. То, что являлось задачей (население не знало правил правостороннегодвижения), стало знанием (население узнало их), и страна в этом смыслеперестала быть учеником и не нуждалась больше в учителях. Исчезла ЗБР вмасштабе целого народа.
Эти примеры призваны проиллюстрировать,что образование существует на различных уровнях. Но каким бы ни был уровень,для взаимодействия четырех факторов образования необходим коммуникационныйпроцесс. 1.4 Что такое коммуникация
Существуют три важнейшие коммуникационныефункции — передача информации в пространстве, сохранение информации во времении обработка информации в целях ее воспроизведения.Передача
Основное представление, возникающее приупоминании коммуникации, — это передача информации в пространстве. Передачаинформации из одного места в другое требует энергии. Речь передаетсяпосредством звуковых волн, зрительные образы возникают при помощи световогоизлучения, в телефонных системах используется электроэнергия. Коммуникация какэнергия является физическим законом, управляющим энергией. Первым, признавшимэтот факт, был К. Шеннон. Как и Выготский в теории образования, он даетопределения основополагающих факторов для изучения коммуникации в общепринятыхтерминах.
К. Шеннон утверждал, что важнейшейпроблемой коммуникаций является воспроизведение содержания информации,переданной из одного места в другое, по возможности верно. Он проиллюстрировалпуть прохождения информации через пространство с помощью схемы, не развоспроизводившейся в статьях и книгах во всем мире. Благодаря своей простоте и очевидностиона настолько укоренилась в представлении людей о коммуникации, что всепредставляют ее как линейное действие, имеющее начало и конец, источник иадресата.

/>
Рис. 2. Модель коммуникационной системы поШеннону
Шеннон создал свою модель, работая висследовательских лабораториях телефонной компании “Белл”. Прежде всего, онаотносилась к телекоммуникационной системе. Такая система имеет вход информациив одном месте и выход в другом. Она передает информацию настолько быстро икачественно, насколько это возможно. Во времена Шеннона телефоны зачастуюработали с помехами, затруднявшими слышимость, особенно при междугородныхразговорах. Шеннон придавал особое значение термину “помехи”, обозначавшему унего нечто сопутствующее передаче и ухудшающее ее качество. Хотя современныетелекоммуникационные системы значительно усовершенствованы, и физические помехисильно уменьшены, совсем они не исчезли. Шумы — серьезная техническая проблемаиспользования городских телефонных сетей в образовательных целях. Существуют идругие виды помех, основанных на том, что не бывает ни людей, одинакововоспринимающих одно и то же событие, ни ситуаций, повторяющихся дважды. Помехи— термин семантический, если адресат не понимает смысла полученного сообщения,синтаксический — если грамматика послания неверна, прагматический — если цельпослания непонятна.
Схема Шеннона описывает основной элемент вцепи передачи сообщения на расстояние — полудуплексную диаду (рис. 3). Шеннонпровел математический анализ коммуникационной функции на этом основополагающемуровне. У. Уивер, ознакомившись с оригинальной публикацией Шеннона, описывающейматематическую теорию коммуникации, решил, что речь идет об общей теориикоммуникации, и написал к следующей публикации соответствующее предисловие. Врезультате работы Шеннона были изданы, подверглись всестороннему обсуждению ичастично приняты в качестве общей теории коммуникации. Это и привело кограничениям в изучении явлений коммуникаций. То, что было ключом к комнате вдоме, ошибочно приняли за ключ ко всему зданию. Исследователи коммуникациииспользовали модель Шеннона для рассмотрения макроявлений на микроуровне.Пожалуй, самый устойчивый образ образовательного процесса для нас — образучителя, дающего объяснения ученику. Как обманчиво просто было бы перевести этопредставление в рамки модели Шеннона, где учитель выступает в качествеисточника, ученик — получателя информации, а трудности обучения объясняютсяналичием помех (рис. 2).
/>
Рис. 3 Полудуплексная диада; одностороннясвязь между двумя точками, которые можно определить как источник и приемникинформации
/>
Рис. 4 Полная дуплексная диада.
Шеннон анализировал минимальнуюкоммуникационную функцию — передачу сообщения на расстояние. Превратите егополудуплексную диаду в полную (с двусторонней коммуникационной связью) илипредставьте ее как часть более сложной сети –источник сообщения одновременноявляется и ее получателем – и коммуникация станет сложным процессом.
Звездообразная круговая сеть с пятьюточками a,b,c,d,e. Диада аb представляет собой модель Шеннона, где a –источник, b – получатель. Если рассмотреть всю систему в целом,то а может быть получателем для d, а также и источником и получателем для точки с:
/>
Рис.5. Звездообразная круговая сеть
 
Представим, что сеть a,b,c,d,e— школьнаятелефонная сеть. Точка с — коммутатор, соединяющий школьную сеть с местнымответвлением городской сети. Та, в свою очередь, должна иметь подстанциюсоединения с основной сетью, и основная точно так же подсоединяется кмеждународной. Так образуются межсетевые связи. И это только при рассмотрениивзаимосоединений телефонных линий, являющихся лишь одним из видовкоммуникационных систем, используемых человеком. А еще есть автомобильные,железнодорожные, морские и воздушные сети транспортных сообщений, позволяющиелюдям преодолевать расстояние и встречаться друг с другом.
Сложность возможных межсетевых связейневообразима, и. пожалуй, для изучения коммуникации на макроуровне большеподойдет теория сложности, чем теория Шеннона, где представление об учителе иученике как источнике и получателе знаний выглядит очень упрощенной.Преподаватели и учащиеся — точки в сетях классных помещений, соединяющихся сошкольной сетью, которая в свою очередь входит в сеть учебных заведений района,является частью областной системы образования, связанной с общенациональнойсистемой. Каждый учитель или ученик — это только точка в семейных, религиозных,политических и прочих сетях. Сетевая деятельность в классе имеет массу связейсо сложной цепью сетей, где поток информации не обязательно строгорегламентирован. Не существует двух одинаковых уроков, и процесс коммуникации вклассе чрезвычайно сложно описать.Хранение
Второй функцией коммуникации являетсяхранение информации во времени. Классический пример — преподаватель читаетучащимся лекцию, а те тщательно ее конспектируют. Информация, передаваемая спомощью звуковых волн, фиксируется в виде чернильных знаков на бумаге.Информация из энергии превращается в вещество. В этом случае способ храненияинформации — это фиксация ее в каком-либо неисчезающем веществе.
Одной из причин, почему учащиеся делаютзаметки, является тот факт, что им известно об ограниченности возможностейчеловеческого мозга как системы хранения информации. Студентов регулярноконтролируют и экзаменуют, и большинство из них убеждается, что существуютиндивидуальные ограничения объема запоминаемой информации, продолжительности еехранения в мозгу и точности последующего воспроизведения. Это общепринятоепредставление об обучении и памяти характерно для всех, кто получал образованиев традиционной школьной системе. Такое убеждение глубоко укоренилось вобществе, где система образования строится на оценке способности индивидуумаиметь стабильную и продолжительную память и выделении тех, кто отличаетсявыдающейся памятью или способен упорно повторять и повторять материал дополного его запоминания. Г. Эббингаус осуществил научную проверку связи памятии обучения. Он провел серию экспериментов на самом себе, предусматривавшихдлительные лабораторные исследования возможностей памяти. Он заучивал целыекуски не имевшего смысла текста, через какое-то время проверял запоминание, и врезультате оказалось, что со временем способность запоминать слабеет. Он такжепроверил результативность повторного заучивания через различные промежуткивремени и продемонстрировал, что запоминание улучшается с каждым повторением.
В течение сотен лет во всем мирестуденты-первокурсники на первых лекциях стараются записывать все подряд. Им неизвестно, запоминание чего от них потребуется, что у них будут проверять, ипотому они не рискуют и стараются заучивать все. Здесь, как и в эксперименте Г.Эббингауза, слышится отголосок некритической эйдетической памяти детских лет,памяти, которую часто называют “фотографической”. С. Роуз пишет: “Многие, еслине все маленькие дети, видимо, видят и запоминают эйдетически, но с возрастомэта способность теряется”. Он также размышляет о драматичности измененияприроды памяти с достижением зрелого возраста, когда эйдетическая память у человекаисчезает:
“Сознательно или неосознанно, но из всегомногоцветья, шума и суматохи окружающей нас среды мы выбираем толькоопределенную информацию, необходимую для запоминания. И помогают в этом отборевырабатываемые нами блокирующие или фильтрующие механизмы, не позволяющие новойинформации загромождать нашу память. Можно предположить, что для младенца всяполучаемая информация имеет равное значение. Но при этом задействован исложнейший механизм классификации, позволяющий регистрировать и выстраивать всознании полученные сведения таким образом, что это дает возможность каждомуиндивидууму вырабатывать собственные критерии значимости явлений. В это времяэйдетическая память, не оценивающая значимости поступающей информации, жизненнонеобходима, так как предоставляет широчайшие возможности для анализа входящейинформации. Но, вырастая, мы учимся выбирать то, что в действительности важно”.
Так и студенты, перейдя на второй курс,начинают конспектировать общий смысл лекций, а не просто слова. Это уже их собственныекомментарии и структурирование области знаний, являющейся предметом лекции.
Западное образование отрицательноотносится к зазубриванию. Это по-детски, как и в случае с эйдетической памятью,— запоминать все без разбору. В современном представлении наибольшее значениедля образования имеет селективная память, позволяющая выстраивать собственнуюсхему знаний. Хотя само по себе это и не верно. Есть и коллективная память,существующая независимо от отдельной личности. В культурах, не имевших письменности,заучивание применялось для сохранения и передачи коллективной памяти племени.Искусственная память, тоже используемая в качестве коллективной, стара как самаистория. В классе, до того как начнется запоминание, присутствуют учебники,тетради, видеокассеты, аудиокассеты, компакт-диски, содержащие задания исведения, необходимые для их выполнения. Широко развивается компьютернаяпамять. Мы наблюдаем возрастающую роль искусственной памяти как альтернативыпамяти биологической. С. Роуз объясняет важность этого:
/>
Рис.7. Типы коммуникационного храненияинформации
Обработка
Компьютер, мозг и солнечные часы — все этосистемы обработки информации. Обработка в коммуникационном процессе — этосоздание изменений в одном из узлов сети, дающих новую информацию. Этопроисходит при соединении передаваемой информации с хранящейся. Результатомявляется производство новой информации, отличающейся от и входящей, и отхранящейся, которые ее породили. Вновь произведенная информация можетсохраняться и/или передаваться.
Интуитивные модели нашего мышления привзаимодействии памяти и восприятия, новой информации, передаваемой чувствами, иинформации прошлого опыта подобны работе солнечных часов. Результатом этоговзаимодействия является производство новой информации. К. фон Вайцзекер далтакое определение: “… информация — это то, что производит информацию”.
Солнечные часы — простейшаякоммуникационно-обрабатывающая система. Они имеют оцифрованный циферблат — этозапрограммированная память. Солнечный луч сталкивается с гребнем, которыйотбрасывает тень. Так пересечение входящей информации с хранимой создает новуюинформацию — часы показывают время.
В мозгу каждого человека образование новойинформации происходит по своим индивидуальным законам. Человеческая памятьосновывается на уникальном запасе опыта и индивидуальных умственныхспособностях. Информация, воспринимаемая индивидуумом, даже если это сообщениемасс-медиа, каждый раз является неповторимой в силу изменчивости условий, вкоторых она воспринимается, и количества сопровождающих ее помех. Столкновениеуникальной информации с уникальной памятью выражается в образовании уникальноговыхода информации. Люди — часть нескончаемого потока информации. Взаимодействуяс этим потоком, мы в результате внезапно изменяем его так, что вниз по течению,во времени, вещи меняются.

/>
Рис. 8 Коммуникационная обработкаинформации возникает, когда передаваемая информация вступает в контакт схранимо. Результат – новая информация – может храниться и/или передаваться.
Компьютеры могут обрабатывать уже имеющуюсяи производить новую информацию. Наука стремительно продвигается к разгадке тайнВселенной благодаря информации, выдаваемой суперкомпьютерами. Способностькомпьютера обрабатывать данные запрограммирована в нем человеком, он, так жекак циферблат и солнечные часы, является результатом человеческойизобретательности. Но не запрограммированы ли в свою очередь люди? Что такоеобучение и образование, если не программирование? Образование можнорассматривать как процесс программирования людей людьми. Но так ли будет это вбудущем? Дети уже сегодня используют машины для приобретения навыков счета. Норазве тогда они уже не запрограммированы машинами?
Мы попытались описать обработкукоммуникационной информации на примерах работы солнечных часов или компьютеров.Это все равно, что применить схему Шеннона к описанию оперного выступления г-жиКири Теканава. Рассмотренное выше не объясняет адекватно сложности процессамышления человека и способности, называемой разумностью.
Обычные системы образования основываютсяна характерных для человека способах передачи информации, человеческой памяти ипроцессах обработки информации — мыслительной деятельности в ходе обучения. Номногие, возможно, согласятся, что в будущем можно будет использовать вобразовательных системах информационные технологии как вспомогательную память.И, пожалуй, не откажутся от использования несложных систем обработки информациидля целей обучения, таких, например, как обучение с помощью компьютера (ОПК).
Создали ли мы уже или способны создать вближайшем будущем искусственный разум — вот один из самых дискутируемыхакадемических вопросов нашего времени. С одной стороны, существует группалюдей, которая, как М. Мински, доказывает, что искусственные разумы будущегобудут в лучшем случае держать нас в качестве домашних любимцев. С другойстороны, есть Дж. Серл, Р. Пенроуз и Дж. Эдельман, которые утверждают, чтомашины никогда не будут обладать разумом. Дискуссии не хватает ясногоопределения предмета спора, потому что разум — неуловимое свойство человеческогомозга, которое, как и сознание, мышление и память, не поддается определению ипознается лишь на основе личного опыта. Даже если искусственный разум ужесоперничает с человеческим или даже в чем-то превосходит его, он продолжаетразвиваться в направлении, кажущемся разумным людям.Фрактальное измерение в коммуникации
Коммуникация включает в себя все трифункции — хранение, обработку и передачу информации. Представляется возможнымувидеть последовательность коммуникационных процессов, напоминающих звеньяцепи, в которой информация сохраняется, передается, обрабатывается, сохраняетсяи т. д. Записывая, мы соединяем мысль с бумагой, обработку с сохранением.Читая, мы соединяем свет с мыслью, передачу с обработкой. Фотографируя, мы соединяемсвет с пленкой, передачу с сохранением. Демонстрируя фильм, мы соединяем пленкусо светом, сохранение с передачей. Информация проходит различные звенья цепи спомощью преобразователей. Это такие приспособления, как микрофоны,фотоаппараты, телевизоры, видеоплейеры, позволяющие информации переходить отодной функции к другой. Даже ручка или свет, освещающий страницу, являютсяпреобразователями, так же как и глаза, уши, нос, рот, руки и кожа. Назначениебиблиотеки — хранение информации. Телекоммуникационная компания призванапередавать информацию. Назначение компьютеров — обработка информации. Некоторыеже коммуникационные системы могут быть предназначены для выполнения всех трехфункций коммуникации. Примеры — телевизионная станция и школа.
/>
Рис. 9 Фрактальное измерение вкоммуникации. Точки a и b при ближайшем рассмотрении сами по себе оказываютсясетями различных уровней.
Концепция сети основывается на сложностипроцесса коммуникации в целом. Термин может использоваться как длячеловеческих, так и для технологических коммуникационных систем.
Схема коммуникационных сетей состоит излиний, обозначающих каналы коммуникации, и точек в местах пересечения линий.Линии между точками называются связями и являются основным сетевым элементом вдиаде. Это именно та связь между двумя точками, которую описывает модельШеннона и без которой не может быть сети. Мы использовали идею сети дляобъяснения передачи информации между точками. Здесь рассматривается обработкаинформации как нечто, происходящее в точке при взаимодействии входящей ихранимой информации. Отсюда вывод — информация хранится в точке. Именно точкивыполняют функции хранения, обработки и передачи. Нелишне напомнить и о том,что точки не обязательно статичны. Люди передают, хранят и обрабатываютинформацию, находясь в движении. Переносной компьютер может использоваться какподвижная передающая, сохраняющая и обрабатывающая точка в такой сети, какИнтернет.
Функционирование коммуникационной системыкак сети позволяет ей обрести внутренние связи. Впрочем, ни однакоммуникационная система не существует изолированно. Все они имеют подсистемы инадсистемы. Сети могут быть как частями надсетей, так и иметь собственныеподсети.
При рассмотрении коммуникации в такомаспекте ее природа напоминает фрактальные измерения. Фрактальная геометрия быларазработана Б. Мандельбро как метод, описывающий такие структуры, как облакаили деревья, не имеющие определенной формы. Если структура описывается наразличных уровнях или этапах и в ней обнаруживаются одинаковые основныеэлементы, говорится, что она имеет фрактальное измерение. Фрактальная геометрияисследует алгоритмы, описывающие такие измерения. Наиболее яркий пример —береговая линия. Она не имеет четкой формы, потому что на любом уровнепредставляет собой чередование земли и воды в виде мысов и бухт. Фрактальноеизмерение проявляется и в коммуникации, в том, что при ближайшем рассмотренииточка сама оказывается коммуникационной сетью. И наоборот, коммуникационнаясеть на другом уровне оказывается точкой в другой коммуникационной сети.
Чтобы понять это, проведем мысленныйэксперимент. Представьте себе, что вы — точка в сети. В некоторый момент вывступаете в контакт с другой такой же точкой, и потому возникает сеть — диада.Если ввести в нее еще одного человека — получится сеть — триада. Теперьпредставьте себя частью группы друзей, N-аднойсоциальной сети. В данном случае мы занимаемся увеличением только размера сети,но сама сеть остается на уровне, где точки — это отдельные личности. Теперьперейдем на другой уровень и посмотрим, что же такое фрактальное измерение.
Представьте себя частью социальной сетиколлектива класса. На одном уровне класс видится как помещение для людскойсети, в которой каждый человек — точка. На другом уровне класс представляетсобой точку в сети, состоящую из точек-классов, составляющих школу. Любоебольшое здание также может рассматриваться как коммуникационная сеть, в которойквартиры — это точки, а коридоры, лестницы и лифты — это связи.
Опять изменим уровень, представив себедорогу со стоящими вдоль нее зданиями. Теперь здания — точки в уличной сети.Структура, состоящая из одной связи, с расположенными вдоль нее точками,называется автобусной сетью. Этот пример является иллюстрацией того, как дома,стоящие вдоль дороги, могут быть связаны при помощи транспорта, а также почты ителекоммуникации. Поднимемся теперь на такую высоту, откуда мы сможем увидетьвнизу линии и пересечения дорог в городах и поселках, ставших теперь точками.Ночью, с высоты полета самолета, иногда можно увидеть цепочки огоньков,обозначающие города и дороги, это напоминает светящуюся схему сети. Поднимемсяеще выше, на орбиту спутника, и целые города покажутся точками. На этих уровняхкарты помогают рассмотреть сети, формируемые транспортными путями.Исследовательский проект японских ученых, известный под названием “Три-Т”(туризм, транспорт и телекоммуникации), занимается развитием сетей,пересекающих Тихий океан, которые обеспечили бы свободное передвижение людей,товаров и информации. В проекте придается огромное значение развитию гигантскихузлов-точек, в которых пересекаются различные виды сетей. Такие города, какСингапур, Шанхай, Гонконг и Токио/Иокогама, рассматриваются как связующие узлыморских, воздушных и телепортов, где пересекаются различные видыкоммуникационных каналов, образуя суперкоммуникационные центры, называемыеузлами “Три-Т”.
Обратим процесс вспять. От обзораполушария опустимся на уровень вашей страны с ее коммуникационными сетями, гдекаждая точка — это город. Опуститесь на уровень коммуникационной сети вашегогорода и остановитесь здесь.
Сначала вам покажется, что окружение, вкотором вы существуете, — точка, но, всмотревшись, вы обнаружите, что это сеть.Вам представляется, что ваш дом — точка, но войдите внутрь — и он окажетсясетью квартир, а в каждой квартире — сеть людей. Не останавливайтесь,представьте, что вы можете проникнуть в мозг одного из соседей, являющегосяточкой социальной сети, и вы увидите миллиарды синаптических связей междунейронами, которые делают мозг сетью с количеством точек от десятков до сотенбиллионов.
Изучение коммуникации косвеннопредполагает существование коммуникационных сетей на различных уровнях.Персональные, межличностные, групповые, организационные, массовые и глобальныекоммуникации рассматриваются как социальные уровни, внутри которых происходитчеловеческое общение.
Природа коммуникации различна на каждомуровне, и людям нужно переходить от уровня к уровню, чтобы удовлетворить своикоммуникационные потребности.
Образовательные системы являютсякоммуникационными, в то же время это сети, способные существовать на различныхфрактальных уровнях.
Сети обладают функциями передачи, храненияи обработки информации, они связывают ученика, учителя, задания и теорию,являющихся как бы точками, обеспечивая таким образом процесс обучения.
Необходим детальный анализ этогоположения, чтобы решить, насколько такой взгляд применим к классномуобразованию и может ли он служить основой для разработки сети виртуальногокласса в будущем.Какой тип коммуникационной системы необходимобразованию?
Каковы основные компоненты и функцииобразования? На основе предыдущего анализа природы образования и коммуникацииможно утверждать:
Системы организованного обучения являютсясложными коммуникационными системами, способными передавать, хранить иобрабатывать информацию. Целью их функционирования является оказание такойпомощи учащимся, вследствие которой из не способных к выполнению заданий они превращаютсяв людей, хорошо с ними справляющихся. Цель находится в зависимости откоммуникационных сетей, совмещающих четыре фактора: ученик, учитель, задание итеория. Наблюдается явление фрактального пространства, выражающееся в том, чтосеть, совмещающая четыре взаимосвязанных фактора, может оказаться точкой в сетиболее высокого уровня. Точно так же как точка в сети может сама оказаться сетьюна более низком уровне. Наличие разных уровней в коммуникационной системеобразования позволяет учащимся менять их в процессе обучения.
Чтобы применить эти положения ктрадиционному классу и разработке новой системы обучения в будущем, необходимовновь рассмотреть основные функции коммуникации применительно к системамобразования. 1.5 Системы передачи вобразовании
Любое обучение стимулируется средой.Конечно, иногда люди учатся без непосредственного влияния извне. Всем знакомывнутренние размышления, приводящие к инстинктивному знанию. Однако такой типмышления зависит прежде всего, от полученных ранее стимулов. Само по себепонятие обучения предполагает наличие неких не знакомых учащемуся знаний илинавыков, которым ему необходимо обучиться.
Пять наших чувств можно воспринимать, какпять канатов, каждый из которых имеет свой диапазон. По ним информация в формеэнергии достигает центральной нервной системы человека. Именно через эти каналыосуществляется обучение. Фома Аквинский говорил: “Человеческое знаниеначинается с чувств”. Образование — это нечто, что передается людям через ихчувства.
Непосредственным стимулом являетсяэнергия, физически раздражающая рецепторы организма. Существуют такжепериферийные стимулы, не связанные с телом. Тот, кто кричит, создаетпериферийный стимул, в то время как воздействие звуковой волны на рецепторы ухавызывает стимул непосредственный. Человек воспринимает окружающий мирисключительно при помощи непосредственных стимулов. Именно на этом основаниивозможно создание виртуальной реальности. Можно обмануть ощущения, выдавискусственный мир за реальный.
Из пяти человеческих чувств, необходимыхдля обучения, самыми важными для образования являются зрение и слух, так какбольшинство занятий в классе проводится в письменной или устной форме. Но длятого, чтобы охватить весь спектр задач, выдвигаемых реальным миром, необходимаинформация, поступающая ото всех органов чувств. Нет ничего удивительного втом, что на практических занятиях, направленных на приобретение конкретныхнавыков, особое внимание уделяется осязанию, вкусу и обонянию, особенно в такихобластях, как виноделие, кулинария и спорт. Сторонники использованиямультимедийных систем в образовании, как и их предшественники — энтузиастыаудиовизуального обучения 60-х гг., утверждают, что образование должно статьменее абстрактным и использовать как можно шире образ и звук, которые реальноотражают мир. Н. Постман, напротив, уверен, что снижение грамотности,наблюдаемое в США, предвещает эпоху нового варварства. Не обучаясь чтению, людитеряют способность абстрактно мыслить и вместо этого воспринимают мир болеенепосредственно, как животные. Это крайние точки зрения. Иногда картиназаменяет тысячи слов, в других случаях слово стоит миллиона фильмов. И еще: вовремя обучения мы должны осязать, обонять и чувствовать вкус. Обучение можетпривлекать все чувства ученика, и система передачи знаний должна способствоватьэтому. Классное помещение удовлетворяет этому требованию.
Чтобы зафиксировать в сознании обучающийобраз, мы должны видеть его четко. То же касается и слышимости припрослушивании музыки, вкуса при приготовлении пищи, осязания при касанииповерхности и обоняния при определении аромата. Такое обучение нуждается вдостоверной информации. Это означает, что передача большого объема информациидолжна осуществляться в режиме реального времени, а для этого необходимширочайший спектр средств воспроизведения. Предположим, что широта спектраизмеряется количеством информации, которая может быть передана в заданное времяпо какому-либо каналу. В мире телекоммуникаций любые усовершенствования стоятденег. Комизм ситуации заключается в том, что классное помещение как раз иявляется такой средой с широким спектром возможностей, и оно может бытьиспользовано для передачи такого количества информации, которое только способнывоспринять чувства, а мы используем его в основном для вербальных форм, которымширокий спектр ни к чему.
Многоканальное обучение подразумеваетиспользование более чем одного чувства одновременно, и обычно им являетсяпреподавание с помощью зрения и слуха. Существует расхожее мнение, что ростколичества стимулов для различных чувств увеличивает эффективность обучения.Доказательств этому нет. Гораздо более вероятно, что количество воспринимаемойнами информации ограничено. Очевидно, что сосредоточение на каком-либо одномчувственном восприятии идет в ущерб другим чувствам. При обучении необходимопереключение с одних ощущений на другие, настройка их спектра.
Нет никаких существенных различий в том,передается ли информация с целью обучения или с какой-либо другой целью. Тем неменее, взаимодействие ученика с учителем имеет определенные особенности.Обучение и практика призваны постоянно изменять способности ученика в обработкеинформации и проверять наличие таких изменений. Посмотрите, как серьезны липаведущих телепрограмм новостей, сколько времени и усилий было затрачено наподготовку выпуска последних известий, однако никого из них не волнует,вспомнят ли о рассказанном ими на следующий день и возымеют ли их словакакое-то действие. Отличие обучающего процесса от информации, котораяоповещает, развлекает, повелевает или убеждает, в том, что учитель долженубедиться (и это едва ли не основная его цель), что хотя бы часть иззаучиваемого материала запомнилась. Обучающемуся необходимо запомнить материалтаким образом, чтобы приобрести способность делать то, чего он не умел доначала обучения, причем применить свои навыки он должен наиболее эффективно,особенно если готовится стать летчиком или врачом. Для этого необходим процесспроверки качества знаний учащегося и его способности использовать их при решенииопределенной категории задач, а это, в свою очередь, означает, чтообразовательный процесс должен предусматривать наличие практики. Обучающемусянеобходима обратная связь, чтобы убедиться, что он приобрел навыки выполнениязаданий в ходе обучения. Ему также может потребоваться помощь по корректировкеили совершенствованию полученных навыков, ведущая к постепенному ихзакреплению. Все это требует двусторонней мультимедийной связи учителя сучеником, с помощью которой оба могут инициировать коммуникацию и укреплятьвзаимную обратную связь.
Простейшая сеть обучения в виде полнойдуплексной диады — учитель и один ученик, причем первый должен в совершенствевладеть предметом. Ситуация, когда учитель является источником знаний,традиционна. Примером здесь может служить музыкант и его одаренный ученик.
Этот факт может приниматься во внимание,когда учитель является источником уникальных знаний. В большинстве же областейобразования знание существует независимо от преподавателя. Оно наличествуетотдельно, в виде какой-либо сохраняющей системы, такой, как книга, например.Для чтения текста с определенной скоростью не нужен широкий спектр средстввосприятия. Но иногда знания сохраняются с помощью приспособлений, нуждающихсяв сложном техническом оснащении, например в 35-миллиметровых микропленках.Вскоре у нас появятся библиотеки, оснащенные высококачественнымвидеооборудованием, программным обеспечением для создания виртуальнойреальности.
Проблемы, составляющие сутьобразовательного процесса (те, которые индивидуум не в состоянии решитьсамостоятельно), могут существовать в качестве явлений реального мира, которыеможно потрогать, понюхать и попробовать на вкус, так же как увидеть и услышать.Поэтому как таковые они также существуют независимо ни от учителя, ни от ученика,ни от суммы знаний о том, как с ними поступать. Людям свойственно болеть,получать травмы и умирать, и это область проблем медицины. Здесь предметомизучения является больной, которого врач обязан излечить, обладаясоответствующими медицинскими знаниями. Врачи обучаются в школах-больницах, гдепациентами являются реальные люди. Другой пример: поведение кораблей в море —область, которой занимается наука о навигации. Моряки изучают свое судно вморе. Таким образом, фундаментом образования является практическое применениезнаний. Если поставленная задача нереальна, она может оказаться неразрешимой,бесполезной и даже опасной. В этом случае велика вероятность того, что ученики,столкнувшись с реально существующими проблемами, не смогут применить к ним полученныенавыки. Системы передачи информации в образовании должны увязывать задание итеорию с преподаванием и обучением, это очевидно. В лучшем из миров диапазонэтих связей постоянно расширится и скоро станет возможным предоставлениеинформации всем пяти чувствам.
Итак, мы пришли к заключению, чтопотребности передачи информации в коммуникационных системах, используемых вобразовании, выходят за рамки возможностей современных средствтелекоммуникации, но вполне могут быть удовлетворены в классе.
Чтобы охватить весь спектр обучения,образованию необходима система передачи, которая должна быть полностьюдуплексной (двусторонней), синхронно-асинхронной, обладающей широким диапазономвоспроизведения и преобразователями, позволяющими доставлять высокоточную информациювсем органам чувств. Такая сеть должна объединять преподавание, обучение,необходимую сумму знаний и правила постановки задания. Она также должнаобладать способностью регулирования диапазона воспроизведения и изменениямодальности. 1.6 Системы хранения вобразовании
Любая форма обучения зависит отспособности хранить сумму накопленных знаний так, чтобы иметь к ним доступ вслучае необходимости. Любая форма преподавания также должна обладатьопределенным запасом знаний по изучаемым проблемам и располагать методами ихрешения. В случае, когда процесс обучения происходит в классе, знания и способывыполнения заданий содержатся в учебниках. Все большее и большее количествоинформации сохраняется в доступных для ЭВМ форматах, таких, как CD-ROM,или в пригодных для использования в телекоммуникациях базах данных. Наблюдаетсятенденция развития банков тестирования и ситуативного обучения, иначе говоря,сохранение в различных формах практических задач. Образование все большестановится симбиозом биологической и искусственной памяти. Вместо приобретениявсего массива знаний, необходимых для выполнения задания, учащиеся знакомятся сосновными принципами и понятиями, так как они легко могут получить доступ кболее детальным знаниям, хранящимся в искусственной памяти различных систем.
В образовательных системах существуютотработанный иерархический процесс, в рамках которого изученное, прежде чем оновойдет в сумму знаний, необходимых для образования, подвергается критике.Университеты совмещают исследовательские и образовательные функции, работающиетам ученые пишут книги и статьи о сделанных ими открытиях и выносят их наобсуждение своих коллег. Затем эти сведения передаются студентам, которыестановятся впоследствии практическими работниками в данной области, а иногда ипреподавателями. Так капля по капле новые знания и информация просачиваются всистему образования. С этим совмещается процесс их совершенствования иприсоединение к массиву бесспорных знаний.
Сегодня большинство сведений хранится ввиде письменного текста. Еще со времен великой Александрийской библиотекимассив знаний, содержащихся в книгохранилищах, считался основным исходнымматериалом для процесса образования. Это не означает, что все текстыпредставляют собой чистое знание. Книги, на которые ссылаются в качествеисточника, цитируют другие книги. Существует текстуальная сеть, в которойписьменные источники, входящие в иерархию знания, связаны между собой цитатамии ссылками друг на друга и представляют собой взаимосвязанную компактную сеть,называемую бесспорными знаниями.
Новое знание может быть присоединено кпантеону апробированного в том случае, если оно будет иметь связи страдиционными идеями и догматами, существующими в той же области. Другимисловами, если оно удовлетворяет нормальной или общепринятой парадигме по Куну.А что происходит со знаниями, не вписывающимися в эту схему? Нет ли опасности,что разветвленная самоусиливающаяся система заморозит знание?
Практика больше, чем образование,способствует изменению среды обучения. Результаты практических занятий имеютособый характер, видимы и измеримы. Становится все более очевидным, чтоскорость обучения работников новым навыкам необходимо всемерно повышать. Людистановятся безработными, потому что у них нет навыков, необходимых в данныймомент на рынке труда, и выражают всевозрастающую готовность платить за ихприобретение. Обучение, сопровождаемое приобретением дефицитных навыков,становится дорогостоящим. Появился целый класс высококвалифицированныхспециалистов в области последних достижений информационных технологий. Эти людиостанавливаются в самых роскошных отелях и заламывают богачам неслыханные ценыза обучение. Однако недостатком слишком быстрого внедрения нового знанияявляется опасность появления знания непроверенного.
Подвести итог всему сказанному выше можноследующим образом:
Чтобы охватить весь спектр обучения,образованию необходимо симбиотическое соотношение биологической и искусственнойпамяти, которое предоставляет любым органам чувств доступ к информации ознаниях, необходимых в процессе обучения. Новое знание и новые типы задачдолжны вводиться в образовательную среду быстро, но только те, достоверность инадежность которых в достаточной степени гарантированы. 1.7 Системы обработки в образовании
Основой процесса образования являетсяприобретение учащимися способности решать определенный круг задач. Этопроисходит, когда все четыре фактора — ученик, учитель, теория и задания —взаимодействуют. В результате ученики становятся способны выполнить задание, скоторым до этого не справились бы.
Для осуществления процесса обучениянеобходимо наличие коммуникационной сети, где действующими точками являютсяпреподаватели и учащиеся, выступающие также источниками знаний и заданий. Этоосновные функции. Уберите учащихся — и у системы не будет цели. Уберите функциюобучения — и не возникнет ЗБР, не будет уверенности, что навыки действительнополучены, неоткуда будет ждать помощи в трудных ситуациях. Без наличия заданийученикам нечего будет решать и не на чем практиковаться. Без суммытеоретических сведений, соответствующих данному классу заданий, единственнымпутем их решения будет интуитивное приобретение знания.
В ходе осуществления функции обработкиинформации в коммуникационных сетях возникает фрактальное измерение. Еслианализ образовательных систем в качестве коммуникационных адекватен, можнообнаружить, что точки обработки информации в образовательных сетях самиявляются системами. Это мы рассмотрим в следующей главе.
Система обработки в образовательномпроцессе должна обеспечивать взаимодействие теории, задания, источника иполучателя знаний. Эти элементы входят в точки сетей, имеющих, видимо,фрактальное измерение. Точки в сети, где осуществляется образовательныйпроцесс, сами могут быть сетями на другом уровне. Взаимодействие информацииносит динамический характер. Способность менять уровни фрактального измеренияможет быть очень важной.
2. Компьютеры в системе образования
Обучение при помощи компьютера (ОПК) напервых порах основывалось на принципе программированного обучения, где четырефактора обучения — учитель, ученик, знание и проблема — располагались внепосредственной близости друг от друга. Такой подход осуществляется путемрасчленения процесса обучения на легко усваиваемые единицы, которыевыстраиваются в определенной последовательности таким образом, что обучаемыйможет легко передвигаться от одной единицы к другой. Единица знанияпредставляется ученику, затем следует постановка проблемы в форме проверочногозадания. Если обучаемый дает правильные ответы на поставленные вопросы, онпередвигается к следующей порции знания и следующему тесту.
Другими словами, за знанием следуетпостановка проблемы, и, если обучаемый способен самостоятельно справиться с еерешением, значит, ЗБР отсутствует. В то же время, если обучаемый неправильнорешает задачу, это говорит о том, что ЗБР имеет место и помощь преподавателянеобходима. Эта потребность удовлетворяется на уровне вспомогательного контуравзаимодействия, объясняющего суть взаимозависимости знания и проблемы, либоразбивает знание и проблему на еще более мелкие единицы деления. Основойобъяснения в таких программах служит метод упрощения.
Данным шаблоном пользовались припостроении ранних схем ОПК, за которыми последовало множество более совершенныхпрограмм, находящихся в настоящий момент в стадии разработки. Система хорошоработает на уровне приобретения базовых навыков. Но там, где цель обученияотличается определенной степенью сложности, успех утрачивает свою очевидность.Линейные последовательности, представляющие собой благоприятную почву дляпрограммирования, не позволяют свободно синтезировать то, чтонеобходимо преподать. Учащиеся с трудом продвигаются выше уровня пары, а этопри известном усложнении предмета уже является препятствием. Переключение наразличные фрактальные уровни помогает обучаемым посмотреть на взаимосвязь междупроблемой и знанием под множественными углами зрения и представить ее в болеемногогранном выражении.
Аналогично использованиютелевидения в системе образования применение компьютеров в преподаваниистановится вес более совершенным с технологической точки зрения. Компьютерымогут использоваться при организации обучения через исследование. Такой способв первую очередь ставит проблему, а затем позволяет обучаемому поработать сбазой данных, найти необходимые знания и только после этого решить задачу.
Вариантом данного подходаможет стать представление обучаемому проблемы, для решения которой ему придетсяприбегнуть к использованию компьютерных функций. Игровые методы позволяютучащимся работать с компьютером в составе группы и соревноваться друг с другомна этом уровне либо на уровне отдельных учеников. Такой метод получилраспространение в подготовке военных и менеджеров, так как он открываетвозможности компьютерного моделирования. Модели выполняют роль ситуацийреальной жизни и позволяют обучаемому манипулировать различными вариантамирешении. Обучаемый может попытаться справиться с проблемами, возникающими вмоделируемой среде, посредством использования знаний, доступ к которымоткрывают компьютерные программы. Именно с применения компьютерной технологиидля решения задач моделирования и берет свое начало технология виртуальнойреальности.
К упомянутому первому этапу также относитсяуправляемое компьютером обучение (УКО). Это не что иное, как версия ОПК намакроуровне. Существуют три базы данных. Одна содержит информацию об учащихся,другая — задания и контрольные работы (проблемы), а третья заключает в себеметоды и источники информации, необходимые для решения задачи (знание).Компьютер аналогично учителю-консультанту взаимодействует с обучаемыми наоснове выдачи рекомендаций по общим направлениям их работы на оси“проблема-знание”.
Знание и проблема взаимодействуют друг сдругом в соответствии с иерархией преподавания, определяющей последовательностьпроцесса обучения. По аналогии с ОПК обучаемый усваивает определенный объемзнаний, на этот раз ему, возможно, поручено прочитать какой-либо текст иливыполнить другие традиционные обучающие действия при участии преподавателя.Потом ученику дается задание или проверочная работа с тем, чтобы определить,способен ли он решить проблему, с которой соотносится подлежащее усвоениюзнание. Если ученик справляется с полученной работой, то это означаетотсутствие ЗБР, и после этого он может переходить к изучению следующей единицызнания. Если же ЗБР имеется в наличии, учащемуся будет предписано выполнениеальтернативной программы изучения данной темы. Результаты выполнения задания иконтрольной работы (как положительные, так и отрицательные) заносятся в личныйфайл обучаемого. Таким образом, осуществляется контроль за усвоением темы вустановленной последовательности процесса обучения. Это дает возможностьсоставить индивидуальную характеристику обучаемого, в соответствии с которойему будут выдаваться рекомендации по интенсивности изучения материала. То жесамое относится и к консалтинговым программам в таких областях, например, какпланирование перспектив служебного роста.
Как и ОПК, УКО может принимать различныеформы, не сам собой напрашивается вопрос: “Почему бы не объединить две системы,чтобы обучаемому стали доступны оба фрактальных уровня?”. Такой подход имеетместо, особенно в системе подготовки военных. Но в школе применение компьютеров“первой волны” для нужд образования напоминает применение компьютеров в банках.Автоматический кассир обслуживает отдельные банковские операции. Это работа науровне ОПК. Компьютеры также используются для конфиденциального учета счетовклиентов и отслеживания денежных потоков, входящих и выходящих из банковскойсистемы. Это уже уровень УКО. Между этими уровнями находятся люди, которыеработают с человеческим материалом банковской системы и помогают устанавливатьвзаимосвязь между общим состоянием счетов отдельных вкладчиков и ихиндивидуальными потребностями. Они действуют так же, как учителя в системеобразования.
Но структура банковского деласовершенствуется. В настоящее время изучается возможность примененияискусственного интеллекта для выполнения некоторых расчетных операций. Так же иобразование неуклонно движется в сторону “второй волны” Бл. Сендова. Онхарактеризует этот этап как время “массового присутствия компьютеров вобщественной среде”. В недалеком будущем компьютер для обучаемого станет такимже предметом оргтехники, каким в прошлом были ручка, чернила, бумага и учебник.Сендов утверждает, что “в настоящее время основная проблема состоит не в том,как внедрить компьютеры в систему образования, а как выстроить системуобразования с учетом присутствия в ней компьютеров”.
Технология почтовой службы претерпевалапостепенные изменения, телевизионная технология развивалась скачками, развитиекомпьютерной технологии отличается высокими темпами и динамизмом. Формы ифункции не остаются в состоянии покоя, необходимом для приспособления к нимсистемы образования. Когда учащиеся в будущем начнут работать на собственномкомпьютерном оборудовании, это могут быть уже не те компьютеры, интерфейс скоторыми был основан на чтении и наборе. Новое поколение ПК совмещает звук иизображение с текстами и графикой, может работать с мультимедийными базамиданных на компакт-дисках и подсоединяться к системам телекоммуникации. Недалектот час, когда мы сможем разговаривать с компьютером.
Как показал пример телевидения, разнообразиесредств само по себе не улучшает результат усвоения. Возможно, наиболее важнымнаправлением является разработка проблем искусственного интеллекта для созданияэкспертных систем, используемых в образовательных целях, а также дляинтеллектуального обучения с применением компьютеров.
Компьютеры могут взять на себя функцииобучения по переписке и образовательного телевидения. Основанием для этогоможет также послужить их способность интегрироваться в ту среду, которую сейчасназывают кибернетическим пространством.
3. Виртуальная реальность
Впоследнем десятилетии XX в. по миру распространяется новая невиданнаятехнология, которую называют “виртуальная реальность”. Такое впечатление, чтоименно она должна стать определяющим фактором развития в следующем тысячелетии.В настоящее время виртуальная реальность для большинства людей ассоциируется соспециальным шлемом и перчаткой, которые способны погрузить надевшего ихчеловека в фантастический мир компьютерной графики. Сравнивать нынешниепредставления о виртуальной реальности с тем, на что она будет способна к концуследующего века, — это все равно, что сравнивать первые примитивныеэксперименты с герцевыми волнами с современными технологиями спутниковой связи.Виртуальная реальность в том виде, какой она имеет сейчас, не представляетсобой серьезной альтернативы традиционной учебной аудитории как системеобщения, направленной на усвоение знаний.
Такойальтернативой она может стать лишь в следующем веке, когда технология созданияВР станет настолько совершенной, что возникнет настоятельная потребность в еевнедрении. Поэтому на данном этапе мы можем только попытаться определить, чтотакое виртуальная реальность, и понять, какими могут быть перспективы еебудущего применения в системе просвещения. Только после этого мы сможемпредположить, какие изменения в самой природе и фундаментальных основахпроцесса образования произойдут при использовании этой технологии в целяхобучения.
Виртуальнаяреальность развивается в совокупности с определенным набором других технологий,каждая из которых в отдельности обладает способностью уже в следующем столетииполностью изменить картину окружающего нас мира. Та виртуальная реальность,которую мы собираемся рассмотреть, — это основанная на использовании компьютератехнология, пределы развития которой не поддаются прогнозированию. В связи сэтим напрашивается ряд вопросов, наиболее остро вставших в настоящее время: докакой степени и в какой форме технология компьютерной обработки информацииспособна генерировать искусственный интеллект (ИИ)? Будут ли созданныекомпьютерами виртуальные реальности населены существами, обладающимиискусственным интеллектом? Смогут ли эти реальности сами стать продуктомискусственного интеллекта, который будет разрабатывать их и потом приниматьрешение, что с ними дальше делать? Виртуальная реальность будет привязана кпроводным и беспроводным системам дальней связи. В настоящее время технологиясоздания таких систем претерпевает коренные изменения, которые получат свое конкретноевоплощение в следующем веке. Сейчас создаются информационные супермагистрали.Вскоре они вступят в строй, и это в значительной степени расширит возможностителекоммуникационных систем. В настоящее время они нашли свое применение всистемах демонстрации видеофильмов по заказу, а также в обеспечении доступа кновым видам информационных услуг. В будущем они будут устанавливать связь междулюдьми посредством виртуальных реальностей.
Существуетеще одна технология, имеющая непосредственное отношение к виртуальнойреальности. Она находится в зачаточной стадии своего развития и называется“нанотехнология”. По убеждению Э. Дрекслера, суть ее состоит не только втенденции к простой миниатюризации технических устройств. Можно будет говоритьо настоящей технологической революции, когда человек станет способным создаватьмашины и компьютеры, а также управлять ими на молекулярном уровне. Именно вэтот момент существование тотальной, реалистической среды виртуальнойреальности станет действительно возможным.
Виртуальнаяреальность не есть нечто новое. На протяжении веков человек стремился получитьдоступ к ней. То, что мы будем называть создаваемой компьютером виртуальнойреальностью (КВР), — это всего лишь новый способ делать то, чем люди ужезанимаются на протяжении длительного времени. Познание действительности,которая кажется реальной, но на самом деле таковой не является, так же старо,как мечты, и люди пытались применять различные технологии осуществления этогопроцесса с тех самых пор, когда они начали рисовать на стенах пещер иупотреблять действующие на сознание наркотические вещества.
Язык можетвызывать в сознании образы явлений, не существующих в реальном мире, так же,как это делают волны видимого спектра, испускаемые экраном телевизора, илитанцующие сполохи пламени костра. Отличие технологии ВР состоит в том, что с ееприменением виртуальные реальности начинают вырабатываться компьютером, вотличие от тех виртуальных реальностей, которые создаются текстом, изображениемили химическими препаратами и которые стали уже привычными для нас. Вопроссостоит в том, может ли КВР с точки зрения процесса обучения составитьальтернативу тем технологиям ВР, которые представлены книгами и изображениями,используемыми в традиционной учебной аудитории.2.1 Созданная компьютером виртуальная реальность
Создаваемаякомпьютером ВР стремится заменить непосредственные раздражители, имеющиефизическую природу, непосредственными раздражителями, изначально происходящимииз среды компьютерной. Так свет, отраженный от поверхности реальных предметов,подменяется световыми образами, носителями которых являются компьютерныеграфические изображения; звуковые волны, возникающие от колебания объектовреальной действительности, заменяются созданным компьютером звуком. Ощущения,вызываемые прикосновением к реальным объектам, имитируются сигналом раздражениякожных покровов, вырабатываемым в компьютерной среде. Раздражение,воспринимаемое рецепторами нервной системы человека, происходит от виртуальныхреальностей, хранящихся в программах компьютеров, с которыми взаимодействуетпознающий КВР человек.2.2 Внешнее и внутреннее генерирование виртуальной реальности
То, чтовозникает в мозгу учащегося в результате воздействия слов и образов при постановкеперед ним определенной проблемы, — это и есть внутренняя виртуальнаяреальность. Она не существует в действительности физического мира, если такойдействительностью не является работа нейронов человеческого мозга. Присамостоятельном решении задачи человек получает возможность выбора из трехвариантов реальности: физическая реальность перед его взором, внутренняявиртуальная реальность и комбинация этих двух реальностей. Человек можетобратиться к своему разуму и начать думать о проблеме, подчас с закрытымиглазами, чтобы надежнее абстрагироваться от реального мира. Задача может бытьрешена человеком на первый взгляд совершенно непроизвольно, без раздумий, врезультате автоматической реакции на проблему реального мира. Если при этомспросить его, как он это сделал, человек ответит, что сделал не думая.Некоторые люди для решения задачи прибегают к смешению генерированных памятьюмыслей с осмыслением реалий окружающего мира. Примером умственной работы можетслужить мысленная репетиция механических действий. Так, например, водолаз можетв своем воображении проигрывать процесс погружения перед началом самогопогружения или водитель мысленно рассчитывает маневры автомобиля перед тем, какзаехать задним ходом на парковочную площадку. Выготский в своей концепции зоныближайшего развития (ЗБР) противопоставляет то, что человек мог бы сделать врезультате использования своих собственных внутренних возможностей, тому, чтоон может сделать с посторонней помощью. Выготский размышлял о внутреннихраздражителях, происходящих от реальных людей, живущих в реальном мире. Нонепосредственным раздражителем в ЗБР могло бы стать воздействие персонажей изсозданной компьютером виртуальной реальности.
Насколькоотличаются виртуальные реальности, созданные вне человеческого сознания, отвнутренних виртуальных реальностей, которые человек создает для себя сам? Когдалюди мечтают, они создают подконтрольные их разуму ирреальные образы, которыемогут полностью и бесследно поглощаться сознанием либо в какой-то степенивлиять на восприятие человеком окружающей действительности. Но ведь ещесуществуют сны, являющиеся тоже внутренней виртуальной реальностью, носозданной неосознанно и не имеющей никакой связи с реальной действительностью.В сновидениях мы погружаемся в красочный, кажущийся абсолютно подлинным,наполненный яркими ощущениями, имеющий четкие очертания мир, которого на самомделе не существует, но с которым мы можем устанавливать взаимосвязи во сне.Галлюцинации, иллюзии, бред — это всё разновидности внутренних виртуальных реальностей,в которых человек путает реальный мир с им самим созданными образами.Погруженные в такие состояния люди способны видеть и слышать и даже осязать иобонять сущности, наличие которых в качестве непосредственных раздражителей ненаходит подтверждения в реальной действительности. Память — это системасохранения состояний осознания действительности. Воспоминание о реальномсобытии означает, что нечто, когда-то произошедшее, было зафиксировано всознании и впоследствии воспроизведено в виде виртуальной реальности.Воспоминания такого свойства получили название невымышленных виртуальныхреальностей. Человек может быть глубочайшим образом уверенным в достоверностисвоих воспоминаний. Юридическая практика определяет меру ответственностигражданина за искаженное изложение событий, произошедших в прошлом. Положивруку на Библию, люди клянутся говорить правду, одну только правду и ничего,кроме правды. И всё же иногда память может сыграть с нами злую шутку. Можнособрать отпечатки действительной реальности в виде фотографий и видеофильмов, азатем попросить людей воссоздать с помощью этих документов представленное наних событие. И вы убедитесь, что человеческая память зачастую далека отсовершенства. Разворачивается дискуссия по поводу того, может ли человексоздавать полностью вымышленные виртуальные реальности и быть уверенным в том,что они не являются вымыслом. 3. Фрейд разработал концепцию угнетенной памяти,ассоциируемой с травмирующими психику событиями. Он верил, что извлечение изсознания человека этих событий может быть использовано в качестве методалечения психических расстройств. Сознание — это явление уникальное для каждогоиндивидуума, но, по всей вероятности, большинство из нас живет в точкепересечения физической и виртуальной реальности, реальности, являющейсянепосредственной реакцией на внешние раздражители, и реальности, являющейсяотражением происходящего в нейронной структуре нашего мозга.
Животныеобучаются на основании опыта, путем сохранения в клетках мозга реальных событийи их последующего вызова из памяти. Насколько можно судить, уникальностьчеловека как живого существа состоит в том, что большая часть усвоенного имопыта складывается не из событий действительной реальности, а из событийреальности виртуальной. Процесс обучения до такой степени основан на книгах,словах и цифрах, что возникает опасение, не относятся ли наши способы решенияпроблем больше к виртуальной реальности, нежели к реальному миру.
Одна иззакономерностей, выявленных теорией ЗБР, состоит в том, что, обращаясь запомощью в выполнении задания, обучаемые подстраивают свое собственноевнутреннее видение способов его решения к видению этих способов профессионаламив области разрешения подобных задач в рамках действующей культуры. С другойстороны, что произойдет, если созданное обществом объединение профессионалов вобласти решения определенных проблем (скажем, экономистов) утратит связь сдействительной реальностью и начнет убеждать новичков в данной областиприсоединиться к ним в осознании на уровне виртуальной реальности мира, которыйне тождественен реальному миру?2.3 Генераторы виртуальной реальности
Слова,письменные или устные, а также изображение (живопись) — это те средства, спомощью которых могут создаваться виртуальные реальности. Более того, словаявляются основным способом создания виртуальных реальностей в традиционнойсистеме образования.
Наживописном полотне действует все тот же механизм: отраженный свет переноситотпечатки цветов к глазу, но виртуальная реальность по сравнению со словеснымобразом наделена более выраженной внешней определенностью. Вы можете войти ввиртуальную реальность картины, поставить себя на место действующих лиц ипредставить, что бы вы делали на их месте, хотя сценический образ уже нарисованза вас. Естественно, ограничения такой программы заключаются в том, что онасодержит конкретную привязку ко времени и пространству. Для того чтобы продлитьсвое пребывание в мире, представленном художественными образами, вам придетсяснова воспользоваться своим собственным генератором ВР. Всегда существуетобласть наложения и взаимодействия внутренней и внешней виртуальной реальности.
Телевидениеиспользует цвета и звуки для передачи виртуальных реальностей, которые ещеболее выразительны, поскольку они наделены протяженностью во времени, звуком икопируют действительную реальность с большей степенью достоверности. Здесь нетребуется такого масштабного использования индивидуального воображения зрителя.Любой может идентифицировать себя с персонажем на экране, но киногерой необладает подлинной свободой действий: как и в книгах, здесь все происходитсогласно сценарию. Сравните это с динамичной, интерактивной, полномасштабнойвиртуальной реальностью, которая может генерироваться игрушками, играми имузыкой. 2.4 Эволюциясоздаваемой компьютером виртуальной реальности
Истокикомпьютерной технологии лежат в попытках представить конкретную реальность ввиде чисел. Физики используют компьютеры для разработки моделей физическогомира. Лингвисты используют их для количественного моделирования процессов,связанных с языком. При проведении содержательного анализа в научныхразработках коммуникационных систем применяют компьютеры для сопоставлениявиртуальных миров средств массовой информации с реальным миром. Компьютер — этогенератор виртуальной реальности, но есть одно отличие.
Самолеты,автомобили и холодильники суть продукты технологии, которые появились врезультате человеческой деятельности, но не эволюции. Между современнымаэробусом и первыми летательными аппаратами пролегает технологическая пропасть,но они были созданы с одной и той же целью — осуществление воздушных перевозок,только теперь появилась возможность делать это быстрее, выше, дальше и сбольшим количеством пассажиров на борту. Летательные аппараты так и неэволюционировали в автобусы или автомобили. А те, в свою очередь, не пошли попути эволюции, чтобы обрести функции пишущей машинки или холодильника с тем,чтобы далее постепенно превращаться в кухонную плиту.
Компьютеры,напротив, развивались в процессе исторической эволюции, которая оченьнапоминает биологическую в том смысле, что ее участники обретают новые функциипри прочном сохранении старых. ПК имеют цифровую клавиатуру и могутиспользоваться в качестве калькуляторов, что напоминает об их происхождении отустройств для производства расчетов. Они уже приняли на себя роль печатноймашинки и теперь освоили функции телевизора и видеомагнитофона. В процессетакого поглощения новых функций они также впитывали связанные с этими функциямитехнологии. Компьютер собирает в одном месте все необходимое, предлагая выбор иоткрывая свободный доступ к разнообразной информации. Текстовые редакторысейчас имеют в своем составе словари и тезаурусы. Программы проверки орфографииесть не что иное, как адаптация одной из функций словаря, с той лишь разницей,что они выявляют также и ошибки, сделанные самим автором текста, увеличивая,таким образом, словарный запас пользователя. Программный продукт Pagemaker всовокупности с новым поколением печатного оборудования полностью взял на себяфункции книгопечатания. В настоящее время технология компакт-дисков позволяеткомпьютеру осваивать функции библиотеки.
Сейчас ПКосваивают способность преобразовывать изображения и звук, а также распознаватьи синтезировать речь. Мы можем разговаривать с компьютерами, подключать к нимвидеокамеры и микрофоны, сканировать изображения и переводить их в цифровойформат. После этого можно манипулировать изображением. С развитием компьютерныхтехнологий мы приобретаем невероятно гибкое, многофункциональное средствосвязи, которое сейчас само начинает совершенствовать свои уникальныекоммуникационные функции. ПК можно использовать для письма, живописи ивыполнения логических операций. Он также способен осуществлять абсолютно новыекоммуникации, такие, как мультимедийная связь и виртуальная реальность.
Одновременнос постоянным усложнением своих коммуникационных функций компьютеры продолжаютэволюционировать с точки зрения эргономики. Они уменьшаются в размерах, системаих распределения постоянно совершенствуется, они становятся все болеедоступными. Сейчас размеры ПК настолько уменьшились, что стали сравнимы сформатом книги. Какой будет следующая метаморфоза персонального компьютера? Невозьмет ли он на себя функцию очков? Если такое произойдет, то именно в этотмомент он станет носителем виртуальной реальности. Она может даже статьосновным режимом умолчания. Представьте себе, что вы включаете режим загрузкикомпьютера и тут же оказываетесь в виртуальной реальности, где можете вызватьтакие функции, как текстовый редактор, редактор изображений, игры или школу.Как окна имели своим прообразом лист бумаги, лежащий на столе, так же ивиртуальная реальность по умолчанию — это производная от помещения, в которомхранятся книги, где вы можете читать или диктовать письмо, отправить факс,посмотреть видео, написать картину, послушать музыку либо принять решение оперемещении в другую обстановку. В настоящее время КВР — это всего лишьэкспериментальная периферийная функция компьютера. Станет ли она его основнойфункцией, каковыми являются видеодисплей и клавиатура в нынешней его ипостаси,или так и останется необязательным придатком, подобно современным принтерам?
Теоретическиминиатюризация может происходить вплоть до молекулярного уровня. Может быть,функции ПК растворятся на фоне окружающей действительности? Вместо всезнающих,всевидящих и все слышащих очков не превратится ли он в интеллектуальнуюкомнату, подобную пещере “Плато”, стены которой могут сами собойтрансформироваться и превращаться в библиотеку, в которой можно покопаться, вкнигу, которую можно почитать, в мультимедийные экраны, в галерку театра, вучебную аудиторию?
Кино итеатр являются погружающими ВР-технологиями. Затемнение зала во время спектакляосуществляется, чтобы максимально исключить присутствие реальнойдействительности. По-видимому, создаваемая компьютером виртуальная реальностьидет именно в этом направлении: свести к минимуму и, в конце концов,окончательно подменить раздражители, относящиеся к физической реальности. Этопохоже на то, как если бы предыдущие технологии виртуальной реальностипостепенно совмещались, становились все ближе и ближе к аппаратунепосредственных чувств человека, в конечном итоге возобладали над ним иполностью подчинили себе его восприятия. В современной создаваемой компьютеромВР наиболее распространенной конфигурацией устройства является так называемыйблок головного дисплея (ГД), внутри которого имеются два малоразмерныхвидеодисплея, расположенных прямо напротив глаз пользователя. Они предназначеныдля создания стереоскопического изображения и обеспечивают сектор обзора более60 градусов, поэтому все, что человек видит в них, имеет объем и проецируетсяпод характерным для человека углом зрения. Видимые черты реального мира, такимобразом, отсекаются и подменяются образами виртуального мира. Естественно,неуправляемый ГД и низкое качество графики напоминают зрителю, что этоискусственно созданная ситуация. В то же время оптическая система становитсявсе проще и легче, и если когда-нибудь она приобретет форму очков, то людисмогут забыть, что их голову венчает сложное технологическое устройство.Развитие телевидения с высокой степенью разрешения, по всей вероятности,отразится на качестве графики и сделает изображение более правдоподобным.Существуют разработки в области сетчаточной визуализации, основанной наприменении лазеров для непосредственного раздражения сетчатки глаза исканирования изображений прямо на зрительные рецепторы нервной системычеловека. В этом случае картинка будет получаться более выразительной и четкой,нежели образы реального мира, которые должны, прежде всего, пройти черезхрусталик глаза и подвергнуться в нем обработке, которая имеет определенныенедостатки.
Чтоособенно удивительно в КВР, так это способность пользователя находиться внутривиртуальной реальности и при этом смотреть по сторонам. В настоящее время этафункция системы обеспечивается при помощи ГД и системы позиционирования,которую обеспечивает информацией о положении головы пользователя специальный процессорреальности, имеющийся в компьютере. Процессор реальности сопоставляеткоординаты положения вашей головы с виртуальной реальностью и в соответствии сэтим формирует картинку, совпадающую с расположением точки визирования вашихглаз, затем передает ее по кабелю на видеоэкраны внутри ГД. Системакибернетического реагирования на положение головы должна действовать с такойскоростью, чтобы система зрительного восприятия человека не успевала замечатьотставания и пользователь воспринимал происходящие изменения как реальнуюдействительность. Восприятие виртуальной реальности в качестве подлинногоявления зависит от четкости и достоверности картинки, которые, в свою очередь,определяются объемом памяти и быстродействием компьютера.
Шаг зашагом мы вступаем в альтернативный мир КВР. Сначала мы просовываем в негоголову, чтобы видеть и слышать, что там происходит. Потом мы надеваеминформационную перчатку и начинаем размахивать ею внутри виртуальнойреальности, как символической рукой, которая существует сама по себе и можетвзаимодействовать с виртуальным окружением. Эта рука может манипулироватьвиртуальными предметами и позволяет пользователю передвигаться внутри КВР припомощи специальных жестов. Потом мы даем руке почувствовать силу ответнойреакции, и перчатка становится осязательной. Вскоре в ВР можно будетоперировать при помощи двух пар осязающих и подвижных рук и ног. Нодействительно революционным скачком обещает стать информационный костюм. Тот,кто наденет его, получит возможность перенести свое тело в заманчивые миры КВР.
Представьтесебе, что информационный костюм — это ваша вторая кожа, которая отключаетраздражители внешнего мира и подменяет их раздражителями, созданнымикомпьютером. То, что мы осязаем, соответствует теперь генерированным компьютеромзвукам и изображениям. У Б. Шермана и П. Юдкинса есть описание разработок,проводимых с целью создания такого костюма. В нем используются наполненныесжатым воздухом полости, вибрирующие под воздействием электрического токакристаллы и наборы штырьков. Оптическое волокно, опутывающее весьинформационный костюм наподобие нервных окончаний человека, соединяется в жгут,который связывает информационный костюм с ГД и компьютером. Развивающаясяминиатюризация в области компьютерной обработки данных в сочетании стехнологией параллельной обработки означает, что компьютер, создающийвиртуальную реальность, станет частью костюма. Э. Дрекслер в своей книге“Двигатели созидания” так описывает космический костюм, появление которогостанет возможным в будущем благодаря развитию нанотехнологии:
“Присоприкосновении костюма с кожей кажется, что он сделан из чего-то еще болеенежного, чем самая мягкая резина. У него гладкая внутренняя поверхность. Онлегко надевается, а места соединений наглухо застегиваются прикосновениемпальцев. Костюм плотно облегает ваше тело, наподобие тонкой кожи, которая понаправлению к плечам постепенно утолщается и в области груди становится равнойтолщине руки. За плечами подвешен едва заметный ранец. Голову закрывает почтиневидимый шлем. Сзади на шее поверхность костюма облегает вашу кожу такравномерно и нежно, что вскоре вы перестаете это ощущать. Вы встаете иначинаете ходить, чтобы привыкнуть к костюму. Вы приподнимаетесь на цыпочках ипочти не чувствуете веса костюма. Вы сгибаете и разгибаете конечности, но неощущаете скованности, ограничения подвижности, давления. Когда вы сжимаетепальцы, то чувствуете, как они соприкасаются друг с другом. Создается ощущение,что на руке нет перчатки, только кисть слегка пополнела.
Все эти инекоторые другие свойства обеспечиваются за счет сложных процессов,происходящих во внутренних покровах костюма, имеющих почти такую жезамысловатую организацию, как живая ткань. Материал перчаток толщиной в одинмиллиметр состоит из множества микронных слоев, созданных с помощьюнаномеханизмов и наноэлектроники. Участок размером с мелкую монету вмещает всебя миллиард механических нанокомпьютеров, при этом 99,9 % пространствакостюма остается свободным для размещения других элементов.
Вчастности, это пространство используется для размещения активной структуры.Средний слой материала костюма содержит трехмерную ткань из волокна на алмазнойоснове, выполняющего в основном роль искусственных мышц, способных каксокращаться, так и растягиваться. Это волокно занимает существенную частьпространства костюма и делает его прочным как сталь. Привод от микроскопическихэлектромоторов и управление посредством нанокомпьютеров придают материалуупругость и заставляют изменять форму в зависимости от необходимости. Ранее выпочувствовали, что костюм очень мягкий, — это потому, что он запрограммированна мягкое воздействие на вашу кожу. Он снабжен системой, компенсирующейдавление, оказываемое массой костюма на ваше тело, и в точности имитирующей всеваши движения, не создавая ощущения запаздывания и какого-либо противодействия.Это одна из причин, по которой вы почти не ощущаете, что на вас надет костюм.
Вамкажется, что вы берете предметы голыми руками, потому что вы ощущаете ихфактуру. Это происходит благодаря сенсорам давления, покрывающим костюмснаружи, и активным структурам, выстилающим его изнутри: перчатка фиксируеточертания всего, к чему вы прикасаетесь, и детальный отпечаток прикосновения ввиде шаблона давления передается на ваши кожные рецепторы. Этот процесс имеет иобратную направленность: даже самое слабое усилие, возникающее в вашихмускулах, в виде силового шаблона передается на предметы, к которым выприкасаетесь. Таким образом, создается впечатление, что на вас нет перчаток ивы действуете голыми руками.
Костюм обладаетпрочностью стали и гибкостью вашего собственного тела. Система управлениякостюмом предусматривает различные варианты взаимодействия между вами.Например, она может передавать прикладываемые вами или воздействующие на васусилия с коэффициентом 1:10. В таком костюме вам не страшен поединок сгориллой”.
Идеи,содержащиеся в данной главе, многим педагогам могут показаться крайнестранными. Тем не менее, если мы действительно стремимся сократить разрыв междумиром науки и техники и учебными аудиториями, то нам нужно принимать вовнимание такие радикальные посылки, как применение космического костюмаДрекслера в качестве школьной формы будущего.
Если мыдопускаем возможность технологической состоятельности костюма Дрекслера каксредства независимого существования человека в космосе, основанного на передачераздражителей с поверхности костюма, то у нас появляется прекрасное средстводля погружения в виртуальную реальность, поскольку описанный костюм почтиполностью исключает воздействие раздражителей из внешнего мира и силыгравитации, напоминающих нам о реальной действительности. И хотя костюмДрекслера предназначен для того, чтобы передавать человеку, находящемусявнутри, информацию о внешнем мире, он легко может послужить в качестве средствапередачи информации, поступающей через системы телекоммуникаций из любогоместа. 2.5Телеприсутствие в телевиртуальной реальности
КВР можетиспользоваться одновременно двумя и более пользователями, которые в рамках этойтехнологии имеют возможность общаться друг с другом посредствомтелекоммуникаций. На развитие КВР оказывают влияние не только успехикомпьютерных и нанотехнологий, но и развитие телекоммуникационных систем.Разрабатываются телевизионные системы конференцсвязи с использованием виртуальнойреальности. Прототип такой системы дает возможность пользователю, сидящему застолом перед выпуклым экраном и экипированному специальными очками и перчаткой,ощущать себя на виртуальной конференции вместе с другими участниками, скоторыми он может разговаривать, обмениваться рукопожатиями ивзаимодействовать. Его собеседники не присутствуют физически, так, как это былобы на обычной конференции. Они — телеприсутствующие. И так же как голос вашеготелефонного собеседника есть не что иное, как модифицированная версия егореального голоса, так и телеприсутствие является компьютерным графическимпредставлением того, как они в действительности говорят, двигаются,жестикулируют. Это все равно, что говорить с движущейся восковой фигурой.“Декорации” телеконференции можно легко поменять, как место в театре. Для этоготребуется только сделать жест рукой в перчатке. Предмет обсуждения — уставпредприятия, или новый космический корабль, или модель автомобиля — помещаетсяв пространстве между участниками таким образом, чтобы до него можно былодотянуться рукой и произвести с ним необходимые манипуляции.
Эффект,производимый виртуальной реальностью и телекоммуникациями, называетсятелеощущениями и объясняет принципы применения систем телекоммуникацииследующим образом:
“Телевизионныесистемы конференц-связи, вызывающие чувство реальности, — это системы,предложенные Лабораторией по исследованию передовых телекоммуникационныхтехнологий (ATR). Система передает изображения участников встречи, находящихсяна удалении друг от друга, в конференц-зал через быстродействующиетелекоммуникационные линии. Впоследствии изображения в виде трехмернойинформации выводятся на экран, изменяются в соответствии с углом зрения каждогоиз участников и позволяют им вступать в зрительный контакт друг с другом иоперировать виртуальными предметами посредством жестов и манипуляций”.
Коллаборативныевозможности телеощущения:
“Например,разработчики и заказчик могут встретиться в виртуальном зале заседаний длявыработки концепции индивидуального дизайна, выбора цвета и формы будущегоавтомобиля, которые бы удовлетворяли заказчика. Таким образом, телеощущениеведет к индивидуализации производства”.
Внастоящее время для данной цели используются экран, проектор, ГД, перчатка,персональный компьютер, специальное программное обеспечение и видеокамера.
Этатехнология не должна быть дорогостоящей, поскольку она предназначена длямассового потребления. Она призвана стать основой для разработки многоцелевойдомашней системы ВР. Она сможет служить в качестве виртуального заменителятелефона, который позволит людям общаться на уровне телеприсутствий как вдвоем,так и в составе группы в условиях виртуальной реальности, которая может иметьцелью общение, развлечение или информирование. В то же время экран может бытьиспользован для чтения с него текста, просмотра видео или для погружения вчастную виртуальную реальность. Передача по системам телекоммуникацийкоординат, определяющих положение головы, движения руки и пальца, а такжеперемещения, осуществляемые любыми виртуальными объектами, необходимыми дляработы системы, разработанной ATR. требует такой ширины диапазона, котораябудет возможна только с широкодиапазонными ISDN. Тем не менее, это ничто всравнении с тем, что потребуется в будущем, когда тот тип телеощущения станетполноразмерным, наполнится подробностями виртуальной реальности, а такжеинформацией о тактильных ощущениях и отношениях с виртуальными предметамиобщего назначения, которые имеют вес, фактуру и издают звуки. Ранец в будущеминформационном костюме станет местом размещения телекоммуникационногоприемопередатчика, который обеспечит людям возможность общения друг с другом вусловиях КВР, независимо от их местонахождения. С течением времени можноожидать, что четкость изображения и скоординированность движений объектов будутобладать такой степенью достоверности, что виртуальная встреча сможетсоперничать по этим параметрам со встречей в реальном мире. Она может статьдаже более контрастной и впечатляющей.
Встречав действительной реальности:
Рукопожатиев процессе непосредственного общения.
Встречав современной КВР:
Информационныеперчатки передают периферические раздражители в компьютер. Он формируетизображение, на котором положения рук скоординированы таким образом, чтокажется, будто они вступают в контакт. Это изображение передается на ГД обоихпользователей и оттуда — на рецепторы глаз. Мозг воспринимает рукопожатие какнепосредственный контакт.
Встречав будущей телевизионной КВР:
Периферическиераздражители передаются посредством спутниковой связи. Благодаря информационнымкостюмам, способным имитировать передачу усилия, пользователи не только видятрукопожатие, но и чувствуют его, что создает ощущение непосредственногоконтакта.
4. Виды телекоммуникаций вобразовании4.1Синхронная дальняя конференц-связь
Синхронная дальняяконференц-связь, или телеконференция, в настоящее время существует в трехформах: конференц-связь по телефонному каналу, аудиографическая конференц-связьи телевизионная конференц-связь. Любая форма телеконференции представляет собойпопытку использования системы телекоммуникаций для воспроизведения определенныхвидов синхронного общения, происходящего в учебной аудитории. Таким образом, видеальном варианте, даже если участники телеконференции будут находиться вразных местах, они получат возможность:
· слышать иговорить друг с другом:
· видеть человека,с которым разговаривают;
· видеть то, чтонаписано на доске, а также писать и рисовать на ней так, чтобы все остальныемогли это рассмотреть;
· видеть любыеиспользуемые аудиовизуальные материалы, такие, как видеосюжеты, слайды илимультимедийные демонстрации;
· манипулировать ивзаимодействовать с любым объектом, механизмом или оборудованием, имеющимотношение к процессу обучения;
· получить копиюили запись того, что изучалось в течение урока.
Все перечисленные вышефункции осуществляются на базе традиционного класса при условии присутствия внем обучаемого в установленное время. Заметьте, однако, что здесь существуютнекоторые ограничения: в классе можно изучать ветки, но не целые деревья.Несмотря на то, что в лекционных аудиториях стали использоваться аудиозапись ипереносные компьютеры, всё же еще очень редко учащиеся фиксируют то, чтоизучается в классе, в форме, отличной от рукописных заметок. Исходя из этихограничений, можно определить пути улучшения аудиторной работы за счетвнедрения телеконференции. Тем не менее, несмотря на то, что современныетехнические средства связи способны решить транспортную проблему, они всё же немогут обеспечить наличие полного набора средств коммуникации в учебнойаудитории. Более того, приобретение каждого нового элемента для осуществлениятелеконференции будет означать дополнительные затраты на обучение. 4.2 Конференц-связь потелефонному каналу
Наиболее простым способомиспользования средств телекоммуникации на пути к виртуальному классу являетсяорганизация урока на основе конференц-связи по телефонному каналу, илиаудиоконференция. Идея состоит в том, чтобы преподаватели и ученики,находящиеся в двух и более разных местах, могли говорить и слышать друг друга.
Изначальноепредназначение телефонных систем — осуществление связи между двумя телефоннымиаппаратами, обеспечивающей общение двух людей. Необходимость коммутациибольшего числа абонентов требует уже создания телефонного моста.Конференц-вызовы, осуществляемые на несколько аппаратов одновременно, являютсястандартной услугой телефонной сети. Для их обеспечения в местах организацииконференц-связи устанавливают дорогостоящие телефонные мосты, способные связатьмежду собой пять или шесть абонентов. Эти мосты, в свою очередь, могутсоединяться друг с другом, создавая управляемую пользователем и теоретическибезграничную мозаику взаимосвязей.
Участникиаудиоконференции пересылают по почте в свои центры те графические материалы,которые будут использоваться в ходе занятий. Таким образом, в качествеиллюстрации к какому-либо выступлению можно демонстрировать слайды илипользоваться проектором.
Пересылаемые по почтематериалы могут также содержать упражнения и задания для домашней работы.Системы аудиоконференции иногда интегрируются с системами обучения попереписке, что является логическим объединением синхронного и асинхронногорежимов обучения. Другим шагом интеграционного развития является объединениеаудиоконференции и образовательного телевидения. За узконаправленнойтрансляцией программы образовательного телевидения через спутник следуетаудиоконференция. Такая практика приобрела популярность в Соединенных Штатах врамках бизнес-тренинга. Это иногда еще называют бизнес-телевидением.
Аудиоконференции являютсякак бы прототипом виртуального класса, в котором объект, непосредственныйконтакт с которым невозможен, обозначает свое присутствие исключительнопосредством устного общения. Но, несмотря на то что эти системы, будучиразработанными в определенный момент времени, до сих пор функционируют иявляются экономичными, обучаемые всё же стремятся к визуальному контакту. 4.3 Видеоконференция
Оправдывая свое название,этот вид конференц-связи использует видеокамеры и мониторы, установленные вкаждом центре, с тем, чтобы дать учащимся возможность не только слышать, но ивидеть друг друга. Обеспечивается также просмотр любых иллюстрирующих темуобсуждения материалов. Проблема состоит в том, что передача видеоизображениятребует использования достаточно широкого диапазона сигнала, а обладающие такойспособностью магистральные каналы не всегда имеются в наличии. Конференц-связьпо телевизионному каналу, или видеоконференция, всегда была дорогостоящейсистемой. Телевизионная конференц-связь в большинстве случаев применяется,когда людям нужно видеть тех, с кем они общаются. В случаях, когдавидеоконференция используется в целях обучения, в основном показывают учащихсяи их преподавателей в процессе общения, а не материалы, иллюстрирующие то, очем идет речь. Поскольку качество изображения низкое, то картинка нуждается впостоянных устных разъяснениях. В режиме взаимного обсуждения на телеконференцииособый интерес представляет возможность наблюдения за реакцией тех, к комуобращены ваши слова. Мы уже говорили о необходимости четко продуманногосоставления видеоматериала и о том, что одновременное использование видео- иаудиорежимов ведет к перегрузке центров восприятия и к неспособности критическиистолковывать получаемую информацию (за исключением тех случаев, когда этирежимы дополняют друг друга). Изображение говорящего человека может отвлечьслушателя от восприятия познавательного содержания его речи, поступающей поаудиоканалу. В обосновании эффективности использования видеоконференции впроцессе обучения важное место занимает представление, как это было в случае собразовательным телевидением, что объяснение, подкрепленное движущейсякартинкой, неважно, какого качества, все равно лучше, чем без нее.
Целью видеоконференцииявляется представление изображения ее участников, но чем больше людейодновременно показано на экране, тем хуже видно каждого конкретного человека.Оптимальный вариант использования системы — это показ одного участника крупнымпланом, как если бы система использовалась в качестве видеотелефона. Дляавтоматического нацеливания на говорящего применяются камеры, активируемыезвуком голоса. В некоторых системах используют камеры., обладающие функциейпредварительного выбора положения что позволяет руководителю конференции быстроее перенацеливать.
Однако и видеоконференцияимеет присущие только ей проблемы. Для работы камер нужно хорошее освещение, аиспользование проектора, наоборот, требует затемнения. Участники конференции неготовятся специально для выступлений по телевидению. При ведении дискуссии ихвзгляд направлен на изображение того человека, к кому они обращаются, а не вобъектив видеокамеры. В результате на экране выступающий выглядит смотрящим всторону, соответственно, его телеприсутствие не имеет зрительного контакта стем, к кому он обращается, вследствие чего его речь становится менееубедительной. Несмотря на то, что большинство систем видеоконференции оснащенодополнительной видеокамерой для демонстрации графического и другоговспомогательного материала, она чаще всего используется для показа текста. Вредких случаях на видеоконференции демонстрируются движущиеся объекты вкачестве учебного материала: здесь наиболее очевидной становится необходимостьучастия в съемках специально подготовленного оператора. Центры видеоконференцииобычно не имеют в своем штате сотрудников с профессиональными навыкамипроизводства видеофильмов. Видеоконференция находится на таком же уровнеразвития, как телевидение 50 лет назад. Это тоже прототип виртуального класса,в котором телеприсутствие облечено в визуальную форму, но его пока плохо видно.
Решение проблемвидеоконференции может содержаться в разработке настольного видео. Имеется ввиду, что настольный компьютер наделен функциями системы видеоконференции.Любой человек может включиться в работу видеоконференции из своего дома илиофиса и при этом получить возможность слышать, видеть и писать другимучастникам этого процесса. Также можно послать или продемонстрировать файлы,содержащие заранее подготовленную мультимедийную информацию. При этомсинхронный и асинхронный режимы смешиваются почти так же легко, как втрадиционной учебной аудитории. Включение в эту систему телеприсутствия можетстать таким же обыденным делом, как звонок по телефону. Такая технология ещеболее приближает перспективу создания виртуального класса, поскольку она даетвозможность небольшим группам и отдельным людям вступать в контакт друг сдругом в форме телеприсутствия.
4.5Аудиографическая конференция
В центрахаудиографической конференции используются две телефонные линии: одна — дляпередачи звука, вторая — для графики, или, точнее, для передачи данных с одногокомпьютера на другой. Данные появляются на их экранах в виде текста илиграфики. Другими словами, аудиографическая конференция — это аудиоконференция,дополненная компьютерной связью, обеспечивающей наличие виртуальной класснойдоски.
Каждый аудиографическийцентр не только оснащен средствами, позволяющими вести переговоры с любымдругим центром, но также имеет видеомонитор, подключенный к персональномукомпьютеру, служащий как бы общей доской в том смысле, что каждый центр можетвыводить на него свою информацию и видеть то, что на него вывели другие.Представлять можно текстовые сообщения с графическими приложениями, а такжесхемы и рисунки. Электронная ручка позволяет писать непосредственно на экраневидеодисплея. При использовании оптического сканера появляется возможностьпредставления при помощи компьютера и имеющихся печатных документов. Можнотакже использовать видеокамеру для записи отдельных видеокадров, которыевпоследствии могут демонстрироваться в качестве неподвижных изображений.
Включение в составоборудования центра CD-ROM позволяет в ходе конференции ееучастникам обращаться к поистине энциклопедическим объемам информации.
В аудиографическихцентрах, где занимаются 10 и более человек, требуется установка большихвидеомониторов. В тех центрах, где количество обучаемых превышает 20 человек,также устанавливают электронные доски, на которые проецируется изображение сэкрана видеомонитора. Причем, надавливая на доску, можно писать на ней, подобнотому, как это делается с помощью электронной ручки на экране видеодисплея.Несмотря на то, что эти системы отягощены наличием определенного количествасопутствующих малоразмерных элементов, они зарекомендовали себя как удивительноэффективные и перспективные средства коммуникации.
Там, где видеоконференцииапеллируют к эффективным аспектам телеобучения, аудиографические конференцииуделяют основное внимание познавательной стороне вопроса. Это обеспечиваеттакие присущие виртуальному классу свойства, как возможность вести переговорыдруг с другом, а также совместно пользоваться классной доской. Но все-такимежду телеприсутствующими нет прямого визуального контакта. 4.6 Асинхронные телеуслуги длятелеобучения
Факсимильная связьявляется дополнением системы ОТВ, используемым не только для обучения кактакового, но и для управления им. Факс — это очень удобный способ постраничнойрассылки текстов, расписаний, брошюр, заданий, лекций и других печатныхматериалов. Тем не менее, передача по факсу больших объемов текста вызываетопределенные трудности, а в случаях, когда необходимо связаться с зарубежнымиабонентами, это превращается еще и в очень дорогое удовольствие.
До тех пор пока с помощьюфакса нельзя будет быстро и недорого отправлять обширные текстовые материалы,лучшим способом для осуществления этой операции останутся почта и курьерскаяслужба. Сюда же можно отнести и электронную почту, являющуюся наиболее мощнымсредством телеобучения в середине 90-х гг.
Для доступа к сети,обслуживающей электронную почту, Пользователю необходим компьютер с факс-модемом.Это устройство обеспечивает соединение вашего ПК с системой телефонной связи.Как системы телефонии работают на принципе Превращения звуковых волн вэлектронные сигналы, так и модем преобразует электронные сигналы, поступающиеиз компьютера таким образом, чтобы они могли передаваться по линиям телефоннойсети. Компьютеры могут, как бы разговаривать друг с другом по телефону. Дляработы с такой системой пользователю понадобится пароль и некоторое программноеобеспечение. Каждый, обладающий этими средствами, может войти в систему ииспользовать ее. В процессе работы с электронной почтой пользователь выполняеттакие операции, как отправление своего сообщения, считывание сообщения,отправленного в его адрес, распечатка сообщения или запись его в файл, ответ насообщение или отправка его кому-либо еще по цепочке. Если все участники системытелеобучения обладают компьютерами и имеют доступ к услугам электронной почты,то они могут использовать ее для передачи информации классу в целом, отдельнымученикам или группам учеников, для рассылки контрольных упражнений,экзаменационных вопросов и заданий. Учащиеся могут выполнять работу накомпьютере с использованием текстового редактора, отправлять преподавателю дляпроверки и получать обратно проверенный материал.
Может быть задействованасистема “электронная доска объявлений” (ЭДО), которая обеспечит временноеразмещение информации таким образом, чтобы все заинтересованные пользователисмогли ознакомиться с ней или написать свои сообщения. Компьютерная конференция— это разновидность ЭДО, которая ограничивает взаимное общение людей рамкамиопределенного круга интересов. И следовательно, она может служить средствомасинхронного общения внутри класса по какому-либо предмету. А. Ромижовски с 1989 г. вел выпускные курсы в этой системе, позволившей установить взаимосвязь между обучаемыми изразличных частей света. На основании накопленного опыта Ромижовски утверждает,что задание, в проработке и обсуждении которого принимал участие весь класс,будет выполнено и осмыслено учащимися гораздо лучше и полнее, чем если быкаждый из них работал над темой индивидуально.
Другой важной областьюсовершенствования телеобразования является непосредственное представление услугбаз данных. Это не что иное, как определенный набор информации, доступ ккоторой возможен через специально организованные сети. Информация может иметьотношение к последним событиям в мире, фондовым рынкам, ценам насельскохозяйственную продукцию, предлагаемым колледжами курсам обучения и т.д.Что в этой системе действительно ценно для телеобучения это приобретениевозможности доступа в различные библиотеки. В настоящий момент такой способделает доступными каталоги многих книгохранилищ, но в большинстве случаевбывает невозможно перегрузить текст выбранных книг в свой компьютер. Когдатакая возможность появится, виртуальный класс обретет свою виртуальнуюбиблиотеку.Формирование шаблона
Три вышеописанные формыпроведения телеконференции могут пересекаться и взаимодействовать друг сдругом.
Аудиоконференцияоказывает существенную помощь при обучении по переписке, видеоконференциявзаимосвязана с ОТВ, а аудиографическая конференция — с использованиемкомпьютеров в системе образования. По мере все более тесного сближения трехформ проведения телеконференции они интегрируют в себе весь накопленный ранееопыт применения телекоммуникационных технологий в процессе обучения. Следуетотметить, что аудио- и видеоконференции также имеют взаимосвязь смультимедийной компьютерной техникой.
Термин “мультимедиа”изначально использовался для определения сочетаний различных типов отображенияинформации, таких, как звук, слайды, различные виды изображений и компьютерноевидео, в рамках одной программы. Под термином “мультимедиа” подразумевалось“интегрирование каждого канала и формата канала в структурированнойсистематической презентации”. В настоящее время этот термин употребляется дляопределения компьютерной интеграции различных каналов информации. Это означает,что различные средства записи переводятся в цифровой формат для использования вкомпьютерной среде.
Аудиографическаяконференция является примером мультимедийности в изначальном значении этогослова, поскольку объединяет в себе два средства предоставления информации —телефон и компьютерную графику. Она сохраняет свою мультимедийность и всовременном значении, так как компьютерная графика может быть получена свидеокамеры, оптического сканера или самого компьютера. Таким образом, экранкомпьютера стал системой воспроизведения звука и движущегося изображения, атакже текста и графики, составляющих основу явления мультимедийности. Компьютерпревратился в поглощающую среду, как телевизор. Видео, воспроизведенное черезкомпьютер, — это уже не видео, равно как и кинолента, показанная по телевизору,— это уже не лента в оригинальном значении этого слова. Видео, выводимое наэкран компьютера, переведено в цифровой формат, а это означает, что его можноотредактировать так, как этого желает пользователь. Его можно поместить в окно,размер, форма и расположение которого поддаются изменению. Для обработкипоглощенного носителя информации могут применяться все средства используемогонабора прикладных программ.
Компьютерныемультимедийные системы, которые включают в себя видео, должны обладать обширнойпамятью для хранения информации. Это требование было выполнено благодаряразвитию технологии создания носителей на компактных лазерных дисках — CD-ROM. Этот мультимедийный носитель располагает такимобъемом памяти, который сопоставим с содержанием нескольких энциклопедий,вместе взятых. На нем можно сохранить звук, изображение и текст в цифровомформате, он позволяет получить доступ к отдельному элементу информации засчитанные секунды.
Телевидение, как и книга,отображает информацию в линейной последовательности. Эта последовательностьустанавливается составителями программ. Мультимедийные компьютерные системыпредназначены для вывода информации в такой последовательности, какую пожелаетпользователь. С точки зрения образования можно сказать, что если ОТВуправлялось преподавателем, то мультимедийные системы управляются учеником. Длятого чтобы дать пользователю возможность свободно ориентироваться в имеющейся вего распоряжении информации, хранящейся в мультимедийной системе, разработанатехнология преобразования данных, которая раньше называлась “гипертекст”.Теперь ее называют “гипермедиа”, учитывая тот факт, что информация можетсуществовать в полном наборе различных форматов.
Мультимедийные системымогут объединяться в сети. World Wide Web — паутина, опутывающая весь мир — —это широкомасштабная гипермедийная сеть, содержащая картинки, движущиесяизображения и аудиоклипы. Тем не менее существуют определенные проблемы вориентировании фрагментов информации в пространстве распределённых гиперносителей.Пользователи теряются в гиперпространстве. Для решения этой проблемы вТехнологическом университете города Грац (Австрия) разрабатываетсяраспределенная гипермедийная система, получившая название “Гипер-Джи” (Hyper-G). Эта система включает в себя набор различных средств,помогающих пользователю правильно определять свое местоположение винформационных джунглях. Одно из таких Средств — “локальная карта”,показывающая области, прилегающие к определенному элементу информации. Другимсредством является “информационный ландшафт”: пользователь как бы летает надним в поисках выступающих над поверхностью ориентиров.
Важнейшим достижением,возможно, является разработка функции “диапазон по требованию”. Это означает,что теперь можно будет корректировать ширину диапазона таким образом, чтобы входе телеконференции можно было использовать звук, видео, компьютерную графикуили текст в том виде, в каком они лучше всего отвечают педагогическимтребованиям телеурока. Таким образом, появляется возможность платить только заиспользуемую ширину диапазона, а не за максимально доступную, как этопроисходит в настоящее время. Такой подход будет способствовать рациональному,бережному отношению к выбору носителей информации. Видеоизображение будетиспользоваться только в случае необходимости, а не потому, что оно имеется вналичии. Мультимедийные системы на Компьютерах обеспечивают возможностьманипулировать видеоизображением, изменяя картинки и скорость кадров припередаче.
Когда различные аспектытелеобучения рассматриваются как единое целое, они обретают все элементы,составляющие стройную образовательную систему. Не это ли формирующиеся контурывсеобъемлющей, основанной на использовании коммуникационных технологийальтернативы существующей схемы аудиторного обучения, замкнутой на транспортнуюинфраструктуру? Обладает ли она способностью увязывать четыре основныесоставляющие обучения на различных уровнях и обеспечивать необходимое дляобразовательного процесса переключение на различные фрактальные уровни?  4.7 Модель многоуровневойсистемы телеобучения
Итак, мы пришли к выводу,что процесс обучения подразумевает существование фрактального измерения.Обучаемые должны уметь переключаться с режима самообучения на усвоение того,что могут им сообщить другие люди. В соответствии с теорией Л.С. Выготского,человек кроме способности к самообучению располагает также возможностьювпитывать знания, преподносимые ему другими. Этот процесс может происходить науровне малых и больших семейных групп, в масштабе страны, с учетом исповедуемойрелигии и национальной культуры. Тем не менее, на каждом уровне обучения должнасуществовать сеть передачи информации, в рамках которой осуществляетсявзаимодействие учителя, ученика, знания и проблемы.
Мы рассмотрели, как этопроисходит в системе образования, основанной на использовании учебныхаудиторий, а также установили, что учащийся может работать самостоятельно:обратиться за помощью к преподавателю или однокласснику, либо обучаться всоставе класса, школы или общегосударственной образовательной системы. Тем неменее, для того чтобы в классе сложилась ситуация общения по поводу обучения,необходимо обеспечить на этом уровне соединение воедино всех четырехсоставляющих процесса усвоения, что достигается только при использованиитранспортной инфраструктуры. В настоящий момент предметом нашего рассмотрениястанут способы создания многоуровневой системы обучения в условиях. когдачетыре основных фактора образовательного процесса объединяются при помощисистем телекоммуникации. Есть мнение, что в телеобучении формируются четыреосновных уровня, между которыми обучаемые могут осуществлять переключения стакой же легкостью, как при переходе с одного фрактального уровня на другой втрадиционной системе учебной аудитории. Такими уровнями являются:
· отдельныйобучаемый со своим ПК и модемом;
· небольшаягрупповая сеть учащихся;
· сеть курса;
· виртуальныеучебные заведения.
Именно первые три уровняпринимают участие в формировании виртуального класса. Четвертый уровень можно,скорее, отнести к разряду виртуальных детских садов, школ, колледжей,университетов и, наконец, виртуальных систем образования. Уровень виртуальногоучебного заведения, так же как и обычного учебного заведения, отвечает зауправление и поддержку систем телеобучения, моделирование и разработкуобразовательных курсов, обеспечивает телеконсалтинг, телерегистрацию и доступ ктелебиблиотеке. На основании приведенных выше положений мы попытаемсярассмотреть вначале три уровня виртуального класса, а затем уровень функционированиявиртуальной школы.Уровень 1: Конкретный обучаемый и его ПК
Бурное развитиеинформационных технологий стремительно приближает нас к тому моменту, когда всеобучаемые начнут пользоваться собственными компьютерами. Компьютер придет насмену пеналам, ручкам, тетрадям, сборникам упражнений и учебникам. Так и должнобыть, если наша цель — подготовить учащегося к жизни в реальном мире.Персональный компьютер нового поколения, появление которого ожидается внедалеком будущем, будет мультимедийным устройством, которое сможет вооружитьобучаемого средствами видео- и аудионосителей, а также обеспечит возможностьподключения к системам телекоммуникаций.
В следующей главе мыпроанализируем, как подобные устройства на определенном этапе будут наделятьсяспособностью генерировать виртуальную реальность. Но в данном случае предметомнашего рассмотрения является компьютер, появление которого на рынке пришлось насередину 90-х гг. Хотя в настоящее время подобные устройства весьма дороги, мыдумаем, что к тому времени, когда они станут жизненно необходимыми каждомуобучаемому, цены на них будут приемлемыми.
Термин “самообучение” внастоящее время ассоциируется с учеником, который, склонившись над партой илистолом, в поте лица работает над выполнением домашнего задания, записанного втетради или на клочке бумаги (проблема). Обычно в этой схеме также отводитсяместо для некоторого количества учебников (знание). В данном случае учениквыступает как в роли преподавателя, так и в роли обучаемого. Новый образучащегося, работающего самостоятельно, — это человек за персональнымкомпьютером. Задание может быть получено по электронной почте. Основные учебныематериалы курса хранятся на диске. Книги еще долго останутся нашими спутниками,поэтому учащийся будет продолжать пользоваться услугами библиотеки. И всё же всреде обучающихся будет превалировать тенденция к использованию баз данных. Вотличие от обычного ученика, телеобучаемый будет иметь возможность выхода назнания, записанные в видео- или аудиоформате, а также вызова интерактивныхобучающих программ. Это будет интеллектуальное, мультимедийное, основанное наиспользовании компьютера обучение. Возможно, компьютер будет играть рольпреподавателя, а также служить источником знания и постановки проблемы. Такойтип основанного на компьютерах обучения напоминает “внутреннюю речь” поВыготскому, в том смысле, что так же является как бы непрерывным эхомучительского наставления.
ПК становится все болеекомпактным, так что обучаемый сможет работать на нем в любое удобное время и влюбом месте. Телеобучаемому не нужно будет искать способ подключения к системетелекоммуникаций. Для этого будет использоваться сотовая связь или любаянаходящаяся поблизости телефонная розетка. ПК будет автоматически вызывать виртуальнуюсеть обучения и затем проводить операцию самоидентификации. Как только системаопознает его, она начнет общаться с компьютером в соответствии с даннымиконкретного зарегистрированного обучаемого. В результате на дисплее появитсяменю, из которого ученик сможет выбрать по перечню различных услуг,предоставляемых виртуальной школой или колледжем, то, что ему в данный моментнеобходимо. Например, обучаемый может захотеть просмотреть библиотеку, получитьконсультацию, взять задание, попросить отсрочку или дополнительную работу либоотправить звуковое сообщение преподавателю.
Всё это асинхронныедействия, предоставляющие обучаемому возможность не зависеть от времени ипространства. Электронные библиотеки и компьютерные консультационные службыработают круглосуточно. Неважно, где находится учащийся — дома, на работе, едетв другой город, ложится в больницу или живет на маяке, — в любом случае у негоимеется возможность “ходить в школу”. Другими словами, ученик можетиспользовать компьютер (с модемом) для индивидуальных занятий либо для обученияв составе виртуального класса. Компьютер облегчает усвоение независимо отналичия или отсутствия ЗБР.Уровень 2: Сети небольших групповых телецентров
Небольшие группыобучаемых могут формироваться на основе использования систем телекоммуникаций.Но всё же существует стабильно развивающаяся тенденция к тому, чтопредпочтительнее собирать компактные группы учащихся в центрах телеобучения,имеющих технические средства для занятий в системе телеконференции на уровнебольших курсовых учебных сетей. По всей вероятности, количество членов такойгруппы будет меньше, чем число учащихся в обычном классе. Некоторые техническиеособенности используемой аппаратуры способствуют скорее формированию малых групп,чем больших. Пять или шесть человек могут чувствовать себя вполне комфортно,расположившись вокруг настольного персонального компьютера в офисе или дажедома. В этом случае не требуется заранее готовить помещение, а компьютер икомната во внеучебное время могут использоваться для других целей. Для большихгрупп потребуется большой экран видеодисплея или электронная доска спроектором. А это, в свою очередь, означает возникновение проблемы освещения,звукоизоляции и вентиляции, поэтому придется выделять под эти цели специальноепомещение, что создаст необходимость обеспечения охраны и обслуживания. То естьчем больше людей одновременно собирается в телевизионном центретелеконференции, тем больше возникает организационных проблем и тем дорожестановится процесс обучения.
Занятия в составенебольшой группы учащихся дают возможность использовать самые разнообразныесредства для изучения конкретного предмета. В группе всегда найдется человек,обладающий некоторыми знаниями по изучаемому вопросу, а также кто-нибудь, ктоможет выступить в роли учителя относительно данной темы. Социальная динамикамаленьких групп является привлекательной для многих людей, и всё же посравнению с обычным классом такие группы недостаточно способствуют процессуусвоения.Уровень 3: Курсовая сеть
Моделью, которая, понашему мнению, нормально функционирует в системе телеобучения, являетсяорганизация сети учебного курса, состоящего из нескольких телецентров.
Телеобучение, по всейвероятности, способствует общению в рамках группы, поэтому некоторыеразрабатываемые методики предполагают произвольное переключение фрактальныхуровней в процессе группового взаимодействия. Например, обычной практикой впроцессе телеобучения является постановка перед каждым из телецентров задачи,которая требует выхода группы на несколько минут из режима телеконференции. Вэтот момент фрактальный уровень переключается с большой курсовой сети на сетьнебольшой группы по месту расположения отдельного центра телеконференции. Но ина этом уровне за каждым обучаемым сохраняется право взять на себя какую-точасть решений задачи. В этом случае фрактальный уровень переключается уже насеть индивидуума. После выполнения индивидуальной задачи каждым из учащихся ониснова собираются вместе, чтобы синтезировать общее решение поставленнойпроблемы в целом, переходя, таким образом, опять на групповой уровень.Телеконференция снова вступает во взаимодействие со всеми центрами, вышедшимина связь по окончании индивидуальной работы, что означает повторное переключениена уровень курсовой сети. Каждый центр в отдельности вызывается для отчета опроделанной работе. Для этого, например, каждая группа должна написать навиртуальной общей доске свой вариант ответа, сделав соответствующую пометку дляидентификации автора сообщения. В дальнейшем представленная информацияоценивается, защищается и модифицируется при участии других центров. По меретого как каждый центр вписывает свой вариант решения, на виртуальной доскевыстраивается последовательность пунктов, отражающих идеи каждого участникасети. В последующем каждому центру не составит труда создать для себя копиюинформации, содержащейся на доске. Телеконференция способствует развитиюдецентрализованного, направленного на учащегося демократического подхода к обучению,в отличие от традиционного иерархического подхода, все еще господствующего вобычном классе. Если при проведении аудиторного занятия учитель не можетовладеть вниманием учеников, его беспокойство нарастает, по мере того какотдельные учащиеся начинают переговариваться друг с другом. В действительностиони просто переключаются на другие фрактальные уровни. И, тем не менее эторасценивается как нарушение дисциплины. Учитель пытается привлечь внимание всехучеников в классе одновременно и во что бы то ни стало старается удержать их наэтом фрактальном уровне. В телеклассе преподаватель может даже и неподозревать, что отдельные группы переключились на другой фрактальный уровень ибеседуют между собой. Для обычного учителя было бы настоящим потрясением, заехавв небольшой групповой центр, увидеть, как учащиеся разливаютчай ипо ходу теледискуссии критикуют выступающих, которые кажутся им глупыми,неинтересными или говорящими не по теме.
В обычном классепреподаватель начинает изучение новой «темы со всем классом одновременно ив конце занятия дает задание, для того чтобы убедиться, насколько ученикиусвоили содержание урока. В телеобучении действует другая модель: ознакомлениес материалом урока по большей части происходит асинхронно, до начала телеконференции.Таким образом, ученики получают возможность разобраться в предмете ипопробовать выполнить задания до того, как они придут в телекласс, которыйиспользуется для того, чтобы подвести итог и суммировать полученные знания, ане инициировать изучение темы. Иными словами, телеобучение имеет тенденциюделать то же, что происходит в обычном классе, только наоборот.
Постепенно исчезаютколичественные ограничения числа центров телеконференции, которые могутобъединяться в рамках одного телекурса. В то же время основой телеобученияявляется взаимодействие, но если в часовой конференции участвуют 30 человек, товремя, выделяемое каждому из них для выступления, составляет всего-навсего 2минуты. Эту проблему можно решить следующим образом. Если распределить эти 30человек на 6 небольших телецентров и позволить им время от времени работатьсамостоятельно, то они получат возможность общения в рамках своей группы, авзаимодействие на уровне курса могут осуществлять в это время представителикаждой из этих 6 групп. Другими словами, телецентры переключатся синдивидуального уровня на уровень сети телекласса.
Теоретически можнопредположить возможность того, что группа центров телеконференции выбирает одиниз них в качестве представителя для более широкого обсуждения темы на уровнесети, объединяющей несколько курсов, или на международном уровне. В этом случаегруппы телецентров становятся узлами в обширных курсовых сетях. П. Россман всвоей книге “Формирование всемирного электронного университета” описываетнесколько вариантов создания такого университета. Он пишет о телевизионныхклассах, где известные деятели науки и культуры будут рассказывать одостижениях в конкретных отраслях знаний, а за этим последует двустороннееаудиообсуждение, в котором могут принять участие все подключившиеся к сетиобучаемые. Далее он рассматривает концепцию виртуального класса, которуюразработали М. Турофф и Р. Хилтц, основанную на компьютерных системах связи.Россман пишет и о третьем варианте телекласса, в котором сочетаются “лучитечерты виртуального класса, организованного на основе компьютерных сетей, иинтерактивного телевидения, использующего как компьютерные сети, так исобственно телевидение”. Он называет это всемирной лекционной аудиторией.Россман также отмечает возникновение “ситуационных классов”, которые оснащеныаппаратурой, программным обеспечением и информацией, необходимыми дляширокомасштабного электронного обучения.Уровень 4: Виртуальное учебное заведение
Уровни виртуальногокласса работают синхронно, но взаимодействие между учащимся и виртуальнымучебным заведением носит в основном асинхронный характер. Обучающийся являетсяузлом по отношению к сети виртуальных учебных заведений. Само учебное заведениетакже можно представить в виде сети, состоящей из телеадминистрации, службтелеподдержки, телебиблиотеки и академических отделов. Каждое из этихподразделений, в свою очередь, располагает своей системой фрактальных уровней.Например, телебиблиотека может быть представлена в виде сети собраний сочинений,а те, в свою очередь, в виде сети отдельных томов, том — в виде сети глав,глава — в виде сети параграфов и т.д. Учащийся в своем стремлении получитьопределенную порцию знания переключается с одного уровня библиотеки на другой.
В настоящий момент для телеобучаемогосуществует возможность поиска информации и знания, в основном на уровнебиблиотечного каталога, используемого для поиска заглавии книг и статей.Становится возможным перегрузить статьи и компьютер учащегося. Тем не менеевремя, когда обучаемым сможет пользоваться всеми фрактальными уровнямителебиблиотеки так же, как он сейчас пользуется обычной библиотекой, еще ненастало. Естественно, доступ к виртуальному учебному заведению открыт для всехжелающих. Студент сможет ознакомиться с содержанием индивидуальной курсовойпрограммы, абитуриент — получить доступ к службе телеадминистрации для изучениякаталога предлагаемых курсов и получить любую информацию по интересующему еговопросу, вплоть до списка индивидуальных требований к поступающему. Всеобъемлющаямногоуровневая система телеобучения, представленная в виде виртуальной школы,университета, колледжа и т. п., будет таким образом, существовать на синхронноми асинхронном уровнях. Асинхронный уровень будет в основном отвечать заобеспечение доступа к комплексной системе интегрированных баз данных. Этоуровень оси “проблема—знание”. Поскольку работа в такой системе не зависит отвремени и пространства, то появляется возможность создания глобальной системыбаз данных на уровне виртуальных учебных заведений. Более того, инвестиции внакапливание знания и материалов для курсов обучения обеспечат привлечениебольших количеств обучаемых.
Синхронный уровень — этоуровень оси “учитель—ученик”. Этот уровень развивается вместе с технологиейтелеконференции, позволяющей преподавателям и учащимся находить те фрактальныеуровни, на которых работа с различными аспектами оси “проблема—знание”представляется наиболее эффективной. Динамические возможности малой группыполучают на этом уровне новое применение в процессе обучения. И интересно, что,хотя отдельные обучаемые также могут принимать участие в телеклассе, всё жепопулярностью пользуются собрания небольших групп людей в центрахтелеконференции с целью последующего участия в телеклассе в качестве группы.Может быть, причиной служит экономия, которой удается достичь при совместномиспользовании компьютерного модема и линий связи, но эти встречи такжеудовлетворяют и социальные потребности образования. Будет обидно, если иобучение, и преподавание станут в реальной действительности чистоиндивидуальным занятием.
Как бы обучение попереписке, образовательное телевидение и компьютерное обучение никомпенсировали, ни пополняли и дополняли традиционные методы просвещения,основанные на общении в классе, всё же формируется новый подход к образованию,воплощенный в виде телеобучения. Он предоставляет учащемуся новые возможности,расширяет набор доступных для обучаемого фрактальных уровней, создает новыесоциальные модели обучения с помощью других людей. Это не есть совершенствованиепедагогической теории, по, скорее, процесс самоорганизации системы обучения,происходящий в условиях новой технологической среды. 4.8 Киберпространство
В 1986 г. У. Гибсон написал книгу “Нейромансер” (нейрофантазер — Пер.) — историю в стиле научнойфантастики, герой которой включается в глобальную компьютерную сеть сетейсвязи, называемую киберпространством. Идея создания этого виртуального телемиразахватила в свое время воображение миллионов людей по всему свету. Теперь этифантазеры пользуются услугами сети Интернет. Интернет — это уже реальнаясуперсеть, стремительно растущая и в некоторых аспектах принимающая видгибсоновского киберпространства. Приверженцы Интернета считают его изменчивойформой такого пространства, в котором сами они являются кибернавтами,исследующими новый мир. Некоторые разработки в области распределенныхмультимедийных систем, в частности информационный ландшафт “Гипер-Джи”,представляющий собой графическое выражение данных и позволяющий пользователю“летать” над ним в поисках выступающих над “местностью” информационныхконструкций, по-видимому, приближаются к идее Гибсона о киберпространстве как омире информации в мультимедийной среде.
Интернет растет такбыстро, что никто не знает его размеров. В настоящее время люди связываютсямежду собой через Интернет, используя перевод файлов при помощи электроннойпочты, доски объявлений и компьютерную конференц-связь. Они получают доступ когромным хранилищам информации и входят в протовиртуальную реальность,называемую MUD (Multi-user Dungeons — погребадля множества пользователей), MOO (MUD Object-oriented — MUD, ориентированный на объект), MUSE (Multi-user Simultaneous Environments — одновременные среды для многихпользователей), MUA (Multi-user Adventures — приключения для многихпользователей — Пер.).
5. Информационные технологии каксредство/> повышения эффективности инженерной/>подготовки в образовании
Применениеинформационных технологий в жизни современного человека весьма разнообразно иво многом затрагивает устоявшиеся основы его существования. К примерамприменения средств информационных технологий в бытовой сфере следует отнести:
· автоматическуютелефонную связь, включая мобильные телефоны;
· автоматическиемногофункциональные бытовые машины и приборы с дистанционным управлением, в томчисле и с управлением по компьютерным сетям;
· компьютерноемедицинское диагностирование, лечение и врачебное наблюдение, включаядистанционные способы выполнения перечисленных врачебных действий;
· дистанционныесистемы охраны жилищ и мониторинга автоматизированных средств поддержкикомфортных условий жизни;
· компьютерныесредства обучения и тренажеры;
· интерактивноецифровое телевидение;
· автомобильнаянавигация на базе компьютерной техники, средств космической связи игеоинформационных систем;
· обмен личной иделовой информацией по компьютерным сетям (электронная почта, видеоконференции,заказ проездных билетов, резервирование мест в гостиницах, коммунальныеплатежи, биржевые и банковские операции, покупки товаров);
· безналичныерасчеты за покупки и услуги с помощью пластиковых карт, которые являютсясредством индивидуального доступа в банковские информационные системы;
· применениекомпьютеров как мультимедийных средств отдыха (музыка, видеофильмы, игры).
Вмногообразии фактов и пространных аналитических выкладок теряются собственнофундаментальные положения курса, которые состоят в описании принципов действияи способов их конструктивно-технологического воплощения применительно кконкретным классам технических устройств и систем. На основе этого описаниястроится по возможности универсальное и полное математическое описание,позволяющее в дальнейшем перейти к формированию соответствующих компьютерныхмоделей и осуществлять содержательный анализ рабочих свойств совокупностиобъектов при различных сочетаниях их внутренних параметров и различных внешнихвоздействиях.
Такимобразом, центр тяжести перспективного учебного курса фундаментальной подготовкиинженера переносится на создание адекватных математических и компьютерныхмоделей, позволяющих имитировать поведение множества технических объектов вразличных условиях. Большинство процедур моделирования может быть выполнено спомощью универсальных программных средств анализа, которыми снабжаютсясовременные компьютеры. При этом проблемы вычислений, занимающие в современныхкурсах до половины времени и ни в какой мере не связанные с существомизучаемого предмета, возникают только при оценке точности и достоверностиполучаемых результатов моделирования.
Последовательнаяреализация излагаемого подхода создает предпосылки для существенного снижения,а в ряде случаев и разрушения междисциплинарных барьеров, поскольку реальноматематические модели физически разнородных объектов аналогичны по своейструктуре. Кроме того, применение компьютеров как средства моделированияпозволяет исключить большинство рутинных операций по преобразованию данных исоответствующим образом повысить производительность учебной работы студентов. Аэто, в свою очередь, открывает возможности индивидуальной творческой работы свероятностью получения нетривиальных результатов.
Но дажесамостоятельное «открытие» известных зависимостей или закономерностей впроцессе «экспериментирования» с имитационными компьютерными моделями даетсущественно больший обучающий эффект, чем тот, который достигается в рамкахтрадиционной дидактики многократным повторением некоторой последовательностирутинных операций.
Применениеинформационных технологий в производственной деятельности человека не менеемногообразно и действенно в плане изменения условий и результативности труда. Кнаиболее широко применимым средствам информационных технологий здесь можноотнести:
· автоматизированныепроизводственные системы и комплексы;
· системыавтоматизированного проектирования;
· геоинформационныесистемы;
· системымониторинга природной среды и прогноза погоды;
· навигационныекомплексы;
· компьютерныесистемы бухгалтерского учета и автоматизации делопроизводства.
Системаобразования должна готовить людей к жизни и профессиональной деятельности винформационном обществе, что обязывает применять информационные технологии вобразовательном процессе.
 5.1Необходимость и предпосылки информатизации сферы образования
Образованиепо своей сути является процессом получения, преобразования, накопления ицелесообразного применения информации. Поэтому один из эффективных путейсовершенствования системы образования состоит во включении современныхтехнологий поиска, передачи, накопления, преобразования и представленияинформации в различные виды учебных занятий.
Современныеинформационные технологии предоставляют широкие возможности для эффективногорешения всех перечисленных задач обработки информации в образовательномпроцессе.
Поискнеобходимой информации осуществляется на основе ее предварительнойструктуризации и накопления на машинных носителях в локальных или глобальныхкомпьютерных сетях. Для поиска необходимых сведений используются системыуправления базами данных и знаний, а также специальные навигационныепрограммные системы.
Дляпередачи данных используются традиционные телефонные и оптоволоконные линиисвязи, а также системы беспроводной связи, включая космическиетелекоммуникационные системы. Скорости и стоимости передачи информации по мересовершенствования средств связи оказываются вполне приемлемыми дляосуществления образовательного процесса в реальном масштабе времени на любыхрасстояниях между участниками этого процесса.
Формы иметоды преобразования информации, доступные современным прикладным программам,чрезвычайно многообразны. Созданы и широко применяются на практике компьютерныесистемы преобразования текстовой и деловой графической информации, системыавтоматизированного проектирования, в которых преобразуется оцифрованнаяграфическая информация, специальные математические программы, которым доступныоперации с информацией в символьной форме, электронные переводчики с однихестественных языков на другие.
Возможностиотображения и представления информации, доступные современным компьютерам,практически безграничны. В данном случае возможными формами являются тексты игипертексты, двух- и трехмерные графические изображения, включая создание виртуальныхмиров, как это делается, в частности, в компьютерных играх и анимационныхпрезентациях. Кроме того, возможна работа с качественной звуковой и реальнойвидеоинформацией. Современный компьютер является полноценным мультимедийнымтехнологическим комплексом.
Однаконаличие широких возможностей для работы с разнообразными формами информации усовременных компьютеров и создание большого количества прикладных программ,облегчающих работу пользователей, не обеспечивает их целесообразногоавтоматического включения в образовательный процесс. Это оказываетсясправедливым даже в тех случаях, когда собственно компьютер и средстваобеспечения его работы рассматриваются в учебном процессе как объекты изучения,что характерно для большинства учебных курсов по информатике и информационнымтехнологиям. Оказывается, что и в этих случаях не удается обойтись безподготовки методических материалов, структурирования учебного материала,разработки программ контроля знаний и пр. Следует отметить, что справедливостьсказанного возрастает по мере увеличения возраста и жизненного опытаобучающихся индивидуумов.
Молодыелюди, выросшие в новой информационной среде и закрепившие основныетехнологические приемы работы с информацией на подсознательном уровне, вбольшинстве случаев применяют алгоритм проб и ошибок в процессе поискаприемлемого способа решения той или иной возникающей практической задачи. Чащевсего такой подход оказывается более продуктивным в условиях априорнойнеполноты знаний и реально существующего многообразия путей получения конечногорезультата, что характерно для большинства современных информационных систем.
Длялюдей более зрелого возраста, получивших образование в то время, когдакомпьютеры еще не существовали или не были доступны для повседневногоприменения, характерно стремление к созданию мысленной модели своих дальнейшихдействий на основе предварительно полученной и осознанной объективнойинформации. Только после этого они готовы обратиться к компьютеру для решениявозникших проблем.
Этиособенности необходимо учитывать при разработке методик переподготовки иповышения квалификации.
Ещебольшие трудности возникают при попытках внедрения информационных технологийдля изучения учебных дисциплин естественнонаучной, общей профессиональной испециальной подготовки, когда компьютеры являются не объектом, а средствомобучения. Эти попытки начались практически с появлением первых вычислительныхсистем коллективного пользования более тридцати лет назад.
Однакоскорость смены технологической среды разработки и применения обучающих программнеизбежно приводит к ускоренным темпам морального старения разрабатываемыхсредств обучения еще до завершения их разработки. Это характерно не только дляобучающих систем, но в данном случае из-за значительных масштабов применения имеетнаиболее негативные последствия. В результате на долгие годы новыеобразовательные технологии становятся прерогативой узкой группы подвижников ипрактически исключаются из инструментария совершенствования образовательногопроцесса и улучшения качества подготовки специалистов.
Практическицелое поколение педагогов высшей школы оказалось выключенным из процессарезультативного совершенствования образовательного процесса. Время стагнации вданной области совпало со временем становления новых информационных технологий.Учитывая ранее отмеченную консервативность системы образования, это вполнеобъяснимое явление.
Значимыеизменения консервативных систем возможны только в стационарных условиях. Этоположение в полной мере относится к эволюции системы образования, вызываемойпоявлением и развитием новых информационных технологий. И эти условиястановятся реальностью несмотря на ускоряющиеся темпы развития информационных ителекоммуникационных технологий, которые при этом не затрагивают базовыхпринципов обработки и представления информации.
Зрелоесостояние информационных технологий и средств их реализации характеризуетсядостигнутыми возможностями объединения прикладных программных систем, созданныхна базе различных технических и программных платформ в составе сложныхинформационных комплексов. Таким образом, обеспечивается преемственность ивозможности развития достаточно длительных процессов информатизацииобразовательного процесса.
Цельюприменения информационных технологий для совершенствования образования являетсядостижение открытости, гибкости, индивидуализации и непрерывности образования.Последовательное применение перечисленных принципов приводит к созданию системыобразования нового типа, которая открыта для всех желающих при минимумепредварительных условий. Образовательный процесс в такой системе строится наосновании индивидуальных учебных планов и программ при свободном выборевремени, темпов и места обучения.
На путидостижения обозначенной цели необходимо решить совокупность организационныхпроблем и проблем содержательного наполнения образовательного процесса. Приэтом следует учитывать, что простое переложение наработанных в традиционномобразовании методических приемов на новые возможности, открывающиесяинформационными технологиями, не приведет к ожидаемым положительнымрезультатам. Последовательное применение новых информационных технологийизменяет саму природу мышления, а значит должно затронуть и суть процессаобразования. Образность представления информации, доступная современнымкомпьютерам, должна стать мощным усилителем мыслительных процессов вобразовании.
И здесьособая роль отводится преподавателям, которые являются носителями технологииобразования и которые должны творчески переосмыслить накопленныйинтеллектуальный багаж в соответствии с новыми технологическими возможностями.
Донастоящего времени в российском обществе отсутствует четкое понимание ролиинформатизации в развитии не только образования, но и всех сторон общественнойжизни. Это непонимание характерно не только для обывателей, но и для политиков,организаторов образования, преподавателей, т.е. людей, от которых во многомзависят перспективы информатизации общества.
Для тогочтобы пойти на глубокие изменения действующей системы образования на основеширокого применения новых информационных и телекоммуникационных технологий,необходимо ясное понимание того, что эти изменения дадут в результате.Требуется научное обоснование кризиса образования и целесообразных путей егопреодоления. Необходимо предпринять большие усилия для того, чтобы новыеобразовательные технологии как база будущей системы образования были приняты нетолько в образовательной среде, но и в обществе в целом.
Как былоуказано раньше, сами по себе технические и программные средства компьютеров необеспечивают успеха в достижении целей образования. Требуется созданиепедагогически и дидактически обоснованных новых образовательных технологий,учитывающих возможности техники и направленных на достижение конечных целейобразовательного процесса. А для этого необходимо объединить усилия педагогов испециалистов в области компьютерных технологий. Первые должны четко пониматьвозможности информационных технологий для их целесообразного применения, авторые — разрабатывать обучающие программы с учетом дидактических требований.
Становлениеновой образовательной системы невозможно без проведения целенаправленнойорганизационной политики. Организационная структура и политика традиционныхуниверситетов не ориентирована на широкое внедрение информационных технологий вобразовательный процесс. Последовательное проведение такой политики снеизбежностью приведет к полному изменению структуры этих образовательныхучреждений, т.е. к отмиранию действующей структуры.
Необходимыспециальные усилия для становления новых образовательных технологий. Преждевсего, необходимо учитывать весьма большую трудоемкость разработки методическихи программных средств обеспечения образовательного процесса в новойинформационной среде. С этой задачей преподаватели, работающие в традиционныхуниверситетах, не могут справиться без принятия специальных организационных ифинансовых мер. Кроме того, для разработки компьютерных программ учебногоназначения требуются соответствующие специалисты, а для эффективного примененияэтих программ необходима переподготовка преподавателей.
Работапо созданию и применению новых информационных технологий в учебном процессеникак не поощряется и является уделом небольших групп энтузиастов. Такоеположение характерно для всей системы образования практически с момента первых опытовпо информатизации образовательного процесса и до настоящего времени.Инициатива, как всегда оказывается наказуемой: кто применяет информационныетехнологии в неприспособленной для этого организационной среде, испытываетнаибольшие трудности и давление этой среды.
Дляновой технологии необходима и новая организационная структура, которая должнасоздаваться на принципах открытости, непрерывности, гибкости, индивидуализацииобразовательного процесса. При формировании новой образовательной средынеобходимо готовить учебный материал на новых технологических и методическихпринципах, а также создавать специализированные управленческие структуры, безкоторых новая система окажется нежизненной.
Длярешения этих задач также не обойтись без массовой подготовки педагогическихкадров.
Экономическиефакторы являются определяющими при создании открытой образовательной системы.По мере развития индустрии информационных и телекоммуникационных технологийстоимость персональных компьютеров как основных средств информатизации и ихработы в составе информационных сетей становится приемлемой для подавляющегочисла студентов.
Важноотметить, что экономическая эффективность новой информационной системыобразования увеличивается при увеличении масштабов ее применения. Для традиционнойсистемы образования такая зависимость экономической эффективности от масштабовприменения не наблюдается.
Характернойособенностью новых форм образовательного процесса, определяющей ееэкономическую эффективность, является устойчивость системы, понимаемая как ееспособность решать практические проблемы организации и проведенияобразовательного процесса при различных уровнях развития средствтелекоммуникации. По мере развития телекоммуникаций и увеличения ихпроизводительности будет расширяться и сфера применения новых образовательныхтехнологий.
Использованиеновых информационных технологий в образовании позволяет по-новому подойти корганизации и проведению такого важнейшего вида учебных занятий, каклабораторные работы. Однако при ограниченных финансовых ресурсах обеспечениеучащихся полноценными лабораторными практикумами возможно только на базесовременных информационных и телекоммуникационных технологий. Эффективноеиспользование этих технологий в образовательном процессе возможно лишь при решениипроблем автоматизации применяемого лабораторного оборудования.
Такимобразом, основные предпосылки информатизации сферы образования определяютсяследующими факторами:
· стремительноразвивающимися процессами информатизации всех сфер общественной и личной жизнилюдей, широким практическим использованием компьютеров, локальных и глобальныхкомпьютерных сетей;
· необходимостьюактивизации и повышения роли самостоятельной творческой работы студентов;
· потребностямиобработки в образовательном процессе все больших объемов информации, изучениявсе более сложных объектов и процессов;
· открывающимисявозможностями оперативного доступа к территориально распределенныминформационным и техническим ресурсам образовательных и научных учреждений;
· ожидаемымповышением эффективности и результативности образовательного процесса за счетулучшения наглядности, увеличения объемов обрабатываемой учебной информации,организации индивидуальной работы студентов;
· открывающимсямногообразием выбора состава объектов исследования, заданий и форм выполненияучебных проектных и исследовательских работ;
· существующимуровнем развития и распространения технических и программных средствинформатизации, доступных широким слоям пользователей, включая студентов ишкольников;
· практическойреализуемостью и целесообразностью интеграции научных исследований иобразовательного процесса;
· экономическойэффективностью, определяемой простотой распространения информации ипрограммного обеспечения, а также исключением многократного тиражированиялабораторного оборудования, минимизацией затрат на его размещение иобслуживание.
Информатизациясферы образования создает реальные предпосылки для решения важнейшей социальнойзадачи — предоставления высококачественных образовательных услуг самым широкимслоям населения вне зависимости от социального статуса, уровня доходов, местажительства и других жизненных обстоятельств.5.2Формы и методы применения информационных технологий в образовании
Информационныетехнологии выполняют в образовательном процессе двоякую роль: с одной стороны,они являются предметом изучения и практического освоения, а с другой — инструментальным средством, с помощью которого удается повыситьрезультативность и эффективность изучения практически всех дисциплин учебногоплана подготовки инженеров. При этом список средств информационных технологий,применяемых в образовательном процессе инженерной подготовки, оказываетсявесьма обширным и может включать следующие основные компоненты:
· компьютеры,
· средствателекоммуникации,
· текстовые играфические процессоры,
· математическиепакеты,
· средствауправления базами данных и знаний,
· средстваавтоматизации экспериментальных исследований,
· средстваавтоматизации проектирования,
· средстваавтоматизации программирования,
· средствакомпьютерного моделирования,
· средства обученияи контроля знаний,
· компьютерныетренажеры.
Рядучебных дисциплин подготовки современных инженеров непосредственно направлен наизучение и практическое освоение информационных технологий. К их числу можноотнести, например, учебные дисциплины «Информационные технологии»,«Информационные системы», «Компьютерное моделирование», «Системыавтоматизированного проектирования», «Автоматизированные системы научныхисследований», «Микропроцессорная техника». Применительно к изучению этихдисциплин традиционные формы образовательного процесса в виде лекционных иаудиторных практических занятий оказываются чрезвычайно малоэффективными ивместо интереса вызывают отторжение от предмета изучения у большинствастудентов. Компьютеры как носители информационных технологий здесь являютсянезаменимыми помощниками методистов и преподавателей, а сами информационныетехнологии и средства информатизации рассматриваются как объекты изучения.
Характерно,что все современные средства информатизации обладают дружественным графическиминтерфейсом, существенно облегчающим действия неподготовленных пользователей.Кроме того, в подавляющем большинстве случаев имеется развитая системаконтекстной поддержки действий пользователей, которая разъясняет существовыбранных действий или предупреждает о возможных негативных последствиях.Учитывая чрезвычайно многообразный характер действий, которые могут бытьвыполнены с помощью современных средств информационных технологий, рольпреподавателей при их изучении может состоять в доведении до обучающихсяинформации об основных функциональных свойствах и возможностях объектаизучения, в выборе совокупности функций, которые должны быть изучены и освоенына уровне практического применения, в подготовке и проверке результатоввыполнения индивидуальных заданий. Основная работа выполняется студентамисамостоятельно в режиме непосредственного контакта с изучаемым информационнымсредством при консультационной поддержке преподавателей.
В большинствеслучаев сами информационные технологии и средства их реализации не являютсяконечной целью обучения, а рассматриваются как инструмент поддержки действийпользователя в решении актуальных задач. Поэтому весьма важно в процессеобучения предлагать студентам, осваивающим информационные технологии, неабстрактные, а конкретные задачи, решение которых оказывается полезным визучении других дисциплин учебного плана.
Место,состав средств и задачи информационных технологий в структуре инженернойподготовки представлены на рис. 14.
Информационныетехнологии как средства автоматизации решения прикладных задач могут и должныоказывать самое существенное влияние на повышение качества и результативностиобразовательного процесса на этапах общей профессиональной и специальнойподготовки инженеров. В данном случае информационные технологии являютсясредством активизации самостоятельной творческой работы студентов.
Так,например, изложение принципов действия или конструкции технических устройств исистем целесообразно дополнить наглядными, в том числе и анимированнымиизображениями, выполненными средствами компьютерной графики. Применениеуниверсальных программных средств моделирования позволяет заменить рассмотрениеУпрощенных математических моделей имитационным компьютерным моделированием. Приэтом удается получать и анализировать количественные оценки функциональныхпоказателей изучаемых объектов и процессов с учетом многообразия воздействующихфакторов, а также осуществлять, например, поиск путей повышения эффективности.
Использованиеавтоматизированных методик проектирования в процессе выполнения курсовыхпроектов открывает возможности постановки и решения творческих задач поискаэффективных проектных решений взамен многократного повторения рутинныхрасчетных или графических работ. Кроме того, применение информационныхтехнологий в данном случае позволяет осуществлять поиск аналогов выполняемойразработки, а также оперативно обращаться за нормативно-справочной информацией,хранящейся в автоматизированных банках данных.
Автоматизацияэкспериментальных исследований делает возможными ранее недоступные в учебнойпрактике исследования динамических процессов с многоканальными измерениями,запоминанием и последующей математической обработкой мгновенных значенийфункциональных показателей изучаемых объектов, сложного экстремального иадаптивного управления, диагностики и прогнозирования технического состоянияизучаемых объектов.
Телекоммуникационныесредства делают доступными распределенные информационные и технические ресурсыобразовательных и научных учреждений. Формы и эффект применения различныхсредств информационных технологий в инженерной подготовке иллюстрируютсяматериалами табл. 1.
 
Таблица1. Формы применения и роль информационных технологий в инженерной подготовкеРешаемые задачи Применяемые ИТ Эффект Изучение принципов действия Автоматизированные средства технической иллюстрации Повышение наглядности, увеличение количества и качества информации Моделирование Универсальные и специализированные программы моделирования, отображения и преобразования выходной информации Возможность имитационного моделирования сложных технических систем с учетом изменения структуры, параметров и внешних воздействий Конструирование Автоматизированные средства технической иллюстрации, конструкторские базы данных Наглядность процедур сборки и разборки, рабочих процессов, типизация и нормализация конструкторских решений Проектирование Автоматизированные методики проектирования, банки аналогов, нормативной и справочной информации, САПР Переход к оптимизации, поиску эффективных проектных решений, автоматизированной подготовке документации Подготовка производства Автоматизированные системы технологической подготовки производства Переход к количественному анализу, повышение уровня разработок Принятие решений Экспертные системы, системы управления базами данных и знаний Повышение качества и достоверности принимаемых решений Экспериментальные исследования Технические и программные средства автоматизации эксперимента Расширение круга и усложнение задач, повышение точности и достоверности получаемых результатов 5.3Автоматизированные учебные курсы как база новых технологий подготовки инженеров
Всоответствии с предлагаемой концепцией совершенствования системы подготовкиинженеров информационные технологии рассматриваются как основа кардинальногоизменения организации, форм и содержания образовательного процесса.
Первымтребованием к создаваемым новым методическим рекомендациям является условие,что информационные технологии применяются не как дополнение к известному наборутрадиционных дидактических приемов, а как их замена, позволяющая получатькачественно новые результаты. В противном случае вместо повышения эффективностии результативности образовательного процесса будут повышаться толькотрудозатраты студентов и преподавателей.
Следующееважное требование связано с необходимостью индивидуализации образовательногопроцесса и активизации самостоятельной работы студентов. С учетом ранееотмеченных недостатков традиционных печатных изданий как носителей учебнойинформации следует постулировать необходимость подготовки учебных иметодических материалов с применением компьютерных носителей информации исредств ее воспроизведения.
Применениедоступных современным компьютерам технологий манипулирования информациейпозволяет в данном случае перейти от последовательных текстов к гипертекстам,от схематичных рисунков и фотографий — к анимированным изображениям иливидеофрагментам, от статичных уравнений — к имитационным компьютерным моделям.Причем эти модели адекватно реагируют на изменения их структуры, параметров иливнешних воздействий, которые могут производиться студентом в интерактивномрежиме.
Ещеодним требованием, логически вытекающим из уже рассмотренных положений,является отказ от вынужденно принятого в традиционной системе деленияобразовательного процесса на лекции, практические занятия, лабораторные работыи переход к непрерывному системному изучению объектов и процессов.Автоматизированные средства методического обеспечения учебной дисциплины должнысодержать информацию, необходимую для самостоятельного изучения теоретическогоматериала, решения практических задач, экспериментальной проверки теоретическихположений.
Всеперечисленные компоненты в совокупности представляют автоматизированный учебныйкурс (АУК) как единый комплекс программно-технических средств иучебно-методических материалов, обеспечивающих самостоятельную работу студентовв процессе фундаментальной подготовки к инженерной деятельности.
Вдополнение к перечисленным выше средствам методического обеспечения необходимопредусмотреть возможность автоматической фиксации в специальной базе данныхдействий студентов в процессе обучения и получаемых ими результатов. Основноесодержание и структуру АУК схематично можно представить в виде, изображенном нарис. 15.
Приведеннаясхема отображает также телекоммуникационную среду, которая являетсянеотъемлемым атрибутом функционирования АУК, предназначенного для использованияв системе подготовки инженеров. Весь комплекс средств поддержки и сопровожденияучебного процесса в данном случае разделяется на две основные части по месту ихрасположения и выполняемым функциям.
Частьсредств, находящаяся в составе образовательного учреждения предназначается длявыполнения следующих функций:
· администрированиеучебного процесса, доставка учебно-методических материалов, организацияконсультационной поддержки действий студентов и оценка их учебной работы;
· ведение базыданных по каждому студенту, в которых учитываются результаты выполненияиндивидуального плана, полученные оценки, другие необходимые данные (подробнаяанкета, сроки и суммы оплаты образовательных услуг и др.);
· снабжениестудентов информацией, которая находится в составе электронной библиотеки образовательногоучреждения и может потребоваться им дополнительно к полученнымучебно-методическим материалам;
· выполнениелабораторных исследований с помощью программно-технических средствавтоматизированного лабораторного практикума, доступных студентам покомпьютерным сетям;
· разработка иразвитие компонентов АУК, которые выполняются с помощью специализированныхпрограммных средств, а также с применением базовых комплектовпрограммно-технических средств автоматизированного лабораторного практикума.
СобственноАУК после доставки из учебного заведения размещается на рабочем месте каждогостудента и является средством его работы, включающей следующие основныекомпоненты:
· теоретическуюподготовку, предполагающую освоение базовых понятий и положений изучаемогокурса;
· самоконтрольстепени понимания и умения применять изученные положения и понятия, а такжеконтрольную проверку знаний, результаты которой фиксируются в «электронной»зачетной книжке студента;
· компьютерноемоделирование изучаемых объектов и процессов, применяемое как при теоретическойподготовке, так и при выполнении практических заданий;
· обращение ксредствам автоматизированного лабораторного практикума для экспериментальнойпроверки теоретическою материала;
· получениеконсультаций при возникновении затруднений в процессе учебной работы оттьютора, а также в диалоге с другими студентами, изучающими тот же учебныйкурс.
Перестроениеучебных курсов, принятых в традиционной системе подготовки инженеров, на основеинформационных технологий должно проводиться в направлении ихфундаментализации, что с неизбежностью будет приводить к слиянию ряда частныхкурсов в составе единого базового курса. В то же время необходимо обеспечитьподготовку многих курсов для углубленного изучения специальных разделовконкретной предметной области, для того чтобы обеспечить возможности широкоговыбора в получении требуемого образования.
Такимобразом, содержательную основу новой образовательной системы должны составлятьавтоматизированные учебные курсы фундаментальной подготовки, обеспечивающиевозможности самостоятельного изучения, практического освоения иэкспериментальной проверки полученных теоретических знаний. При этом долженбыть обеспечен дистанционный доступ студента к распределенным информационным итехническим ресурсам системы образования, включая возможности оперативногодоступа к тьютору с применением средств телекоммуникации. Наряду с этим каждомустуденту должно быть предоставлено на выбор множество курсов, позволяющихсформировать индивидуальный учебный план и, в конечном итоге, углубленнуюспециальную подготовку в требуемом направлении.Традиционный подход к построению автоматизированныхучебных курсов
Обычно разработчикиавтоматизированных учебных курсов идут несколькими простейшими в отношениитрудозатрат путями:
· Чаще всего текстпопулярного учебника по выбранному учебному направлению вводится в памятькомпьютера, и листание бумажного учебника заменяется листанием учебникаэлектронного. В познавательном отношении такой путь не дает нового качестваполучения знаний.
· Незначительнымкачественным шагом вперед является гипертекстовое исполнениеэлектронного учебника, которое требует больших трудозатрат, но позволяетсделать текст более компактным для подготовленного учащегося и достаточнополным для человека, начинающего обучение.
· С развитием средствмультимедиа стали появляться автоматизированные учебные курсы, в которыхлекция перед телекамерой читается ведущим в данной области специалистом илиактером с хорошей внешностью и дикцией. Такой путь мало отличается от обычнойаудиторной лекции, кроме возможности потенциального расширения количестваслушателей.
· Лучшие изсуществующих автоматизированных учебных курсов содержат в обучающей частиэлементы мультипликации для более эффективного понимания сложныхпроцессов, средства контроля усвоения материала, а также оперативную связь спреподавателем-консультантом (тьютором).
Общим исущественным недостатком всех перечисленных путей создания автоматизированныхучебных курсов является пассивная роль обучаемого, которому, как и втрадиционной системе образования, приходится только слушать либо читать, чтообеспечивает низкий эффект усвоения изучаемого материала. Кроме того,рассмотренные выше способы построения автоматизированных курсов заменяют лишьлекционную часть традиционного курса, предполагая, что где-то в другом месте ив другое время теоретическая часть, курса будет закреплена на практическихзанятиях, а также экспериментально — путем выполнения цикла лабораторных работ.Правда, к тому времени уже основательно забывается теоретическая часть и этотразрыв во времени, а также искусственное деление объекта на части (теоретическая,практическая, лабораторная) не способствует эффективности обучения.Принципы создания автоматизированных учебных курсовнового типа
Впредлагаемом подходе к созданию автоматизированных учебных курсов авторырекомендуют следовать следующим основным принципам:
Принцип »единстваи комплексности объектов изучения" включает следующие основныеположения:
· Каждый базовыйучебный курс фундаментальной подготовки не делится искусственно на лекционнуючасть — «у доски», практическую часть — «ваудитории», лабораторную часть -«за стендом». Учебныйпроцесс рассматривается как единый во времени и в пространстве и комплексныйпо содержанию (т.е. все этапы обучения могут быть реализованы на одномрабочем месте без разрыва во времени).
· Компьютеризированныйкомплексный цикл обучения включает средства изучения основ теории,структурно-конструктивных особенностей объектов, выполнения практическихзаданий, математического и компьютерного моделирования изучаемых объектов,автоматизированного лабораторного практикума, обработки результатовмоделирования и эксперимента.
· Для инженернойподготовки является обязательным компьютерное моделирование изучаемыхфизических процессов и последующая экспериментальная проверка полученныхрезультатов. При этом учащийся должен овладеть современными методамиматематической оценки адекватности используемых математических моделей иметодами идентификации параметров математических моделей на основепроведенных экспериментальных исследований.
· Средства обучениянового поколения можно рассматривать не в виде отдельных понятий«объект», «стенд», «модель», «методическиесредства» и т.д., а как их неразрывную совокупность в виде комплексааппаратных, программных, научных и методических средств, обеспечивающихполноценное изучение объектов в составе программно-технических инаучно-методических комплексов по направлениям подготовки.
· Компьютеризированныйучебный курс может быть реализован как в режиме прямого общения учащегося спреподавателем, который в реальном времени излагает основы теории и тут жеиллюстрирует их средствами моделирования и эксперимента, так и в режиме самостоятельногоизучения, когда учащийся самостоятельно выбирает время и последовательностьизучения материала, исходя из собственных возможностей, а не следуя к жесткомурегламенту образовательного учреждения.
Принцип«интеллектуализации объекта и средств обучения»
Общениечеловека со сложным оборудованием станет более эффективным и комфортным, еслиэто 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 иоптимальные режимы работы. При этом наибольший эффект следует ожидать отинтеллектуализации сложных технологических процессов и технических систем.
В общемслучае можно выделить следующие признаки интеллектуальных технических систем,которые характеризуются наличием:
· сенсорнойподсистемы, позволяющейсудить о состоянии как самого объекта изучения, так и окружающей его среды;
· памяти, в которой сохраняется модельповедения объекта изучения и данные, необходимые для его функционирования;
· анализатора(вычислителя), предназначенногодля выработки реакций на внешние воздействия.
Применительнок сложным техническим системам интеллектуализацию можно определить как процесспреобразования различных видов данных, происходящий в многоуровневойинформационной среде и позволяющий эффективно решать задачи управления,диагностики и прогнозирования качества функционирования данной системы. Приэтом целесообразно выделять:
· интеллектуальнуюподсистему объектного уровня, где решаются задачи измерения параметров и управленияобъектом в реальном масштабе времени;
· интеллектуальнуюподсистему модельного уровня, где также в реальном масштабе времени решаются задачиидентификации параметров математических моделей, диагностики и прогнозированиясостояния и, как результат — принимаются решения об изменении режимовуправления объектом, вплоть до прекращения его функционирования.
Особенностьюобъектного уровня является наличие распределенного интеллекта, интегрированногов датчики, регуляторы, контроллеры. Такой подход позволяет резко снизитьтребования к быстродействию, объему памяти и стоимости распределенныхвычислительных средств.
Принцип«распределения информационных и технических ресурсов»
Впредлагаемой концепции построения автоматизированных учебных курсовпредусматривается комплексный подход к объекту изучения, предполагающийизучение необходимого объема инвариантных фактографических материалов (справочно-информационныесведения, описание принципа действия, конструктивных особенностей,математическое описание и модельный анализ изучаемых физических процессов), атакже обязательное экспериментальное исследование объекта с последующимматематическим анализом полученных результатов. Все эти составляющие процессаобучения имеют различную информационную нагрузку на средства обучения.
Вкомпьютерных технологиях наиболее доступными являются информационные ресурсы,которые легко хранятся и тиражируются на компактных носителях информации.Поэтому в настоящее время нет необходимости загружать компьютерные сетипередачей инвариантных составляющих автоматизированных учебных курсов. Все этолегко тиражируется и распространяется, например, на лазерных компакт-дисках.
Сложнееобстоит дело с доступом к техническим ресурсам, для чего, как минимум, необходимореальный физический объект исследования превратить в источник доступной иуправляемой информации, что и составляет суть принципа телекоммуникационногодоступа к техническим ресурсам. Для практического воплощения этого принципанеобходима последовательная реализация ряда мер, обеспечивающих синтезлабораторного оборудования нового поколения. В случае дистанционного доступа клабораторному оборудованию подход к его автоматизации коренным образомменяется. При этом полностью исключаются любые неавтоматизированные операциикак при управлении объектом, так и на этапе контроля его параметров.
Объектизучения должен стать «полностью управляемым» и «информационнопрозрачным». Это означает, что любой значимый для изучения объектапараметр управления должен быть доступен для варьирования в широких пределах полюбому заданному алгоритму, а любой значимый параметр контроля должен бытьдоступен для измерения с требуемой точностью.
Все этопредъявляет повышенные требования к гибкости и перестраиваемоcти средств управления и измерения,которые могут быть реализованы практически только при условииинтеллектуализации, т.е. применения в их составе высокопроизводительныхмикропроцессорных устройств с использованием технологии цифровых сигнальныхпроцессоров. Наиболее важные узлы исследовательского оборудования: источникипитания, нагрузочные устройства, регуляторы, сенсорные подсистемы и т.д. должныизначально проектироваться с программно перестраиваемой структурой и адаптивноперестраиваемыми параметрами.
Перечисленныевыше особенности подготовки лабораторного оборудования нового поколенияпоказывают, что оно должно быть уникальным по содержанию и исполнению, а,следовательно, и дорогостоящим. Иногда в качестве такого лабораторногооборудования могут применяться специально доработанные научные стенды какнаиболее полно отвечающие задачам углубленного изучения физических процессов.Понятно, что широкое тиражирование такого оборудования практически невозможно,поэтому наиболее целесообразно обеспечить удаленный доступ к нему большогоколичества пользователей. В этом и заключается принцип распределенияинформационных ресурсов, находящихся в прямом пользовании каждого обучаемого, итехнических ресурсов, находящихся в коллективном пользовании многих.Рекомендации по синтезу структуры автоматизированногоучебного курса нового типа
Структурнопредлагаемый автоматизированный учебный курс по любому учебному направлениюреализуется средствами программно-технического и научно-методическогокомплекса, который представляет собою совокупность нескольких функциональныхподсистем, среди которых:
· объектнаяподсистема;
· информационно-измерительнаяподсистема;
· управляющаяподсистема;
· моделирующаяподсистема;
· программно-методическаяподсистема;
· телекоммуникационнаяподсистема;
· удаленное рабочееместо пользователя.
В рамкахобъектной подсистемы перечень объектов изучения рекомендуется делатьоткрытым и последовательно развиваемым. Полный перечень должен соответствоватьконцепции базовой подготовки и учитывать особенности организацииобразовательного процесса в каждом учебном заведении. Конкретный набор объектовизучения формируется из перечня, регламентированного соответствующим учебнымнаправлением
Вкачестве объектов изучения рекомендуется рассматривать специальноразработанные физические модели-аналоги, а не промышленные образцы,поскольку промышленный образец всегда проектируется на эффективное выполнениеузкой прикладной задачи, не содержит дополнительных информационных каналов иканалов управления и поэтому не соответствует задачам обучения. Лишь физическаямодель-аналог, выполненная с соблюдением критериев подобия, снабженнаямногочисленными, физически разнородными информационными каналами и каналамиуправления — способна дать критериальные соотношения для выявленияфундаментальных закономерностей изучаемых процессов.
Физическиемодели-аналоги объектов изучения, как правило, должны выполняться с изменениемгеометрических и энергетических показателей, чтобы исключить трудностиразмещения оборудования (лабораторные площади, энергосети, средства защиты ипр.). При этом изменение может быть любым, если оно не искажает изучаемыепроцессы и не создает трудности работы с объектом (съем информации,управление).
Исследовательдолжен иметь возможность реализации любого разумного режима функционированияобъекта, кроме аварийных режимов. Для реализации такого подхода необходимамногоуровневая система вычислительных средств:
· на объектномуровне — это, какправило, мультипроцессорная подсистема, построенная по идеологии цифровыхсигнальных процессоров;
· на верхнемуровне — это серверкомплекса, выполняющий функции обслуживания внутренних и внешнихинформационных потоков и связей.
Комплексдолжен быть открытым для свободного наращивания подготовленнымиразработчиками количества каналов измерения и управления, варьирования объектовизучения в рамках выбранного тематического направления, для чего он выполняетсяпо блочно-модульному принципу с использованием отечественных имеждународных стандартов в части использования:
· конструктивныхрешений (например, АСЭТ, Евромеханика);
· интерфейсныесредства (LabCard, VME, VXI, PXI и др.);
· программных продуктов (LabWindows/CVI, Component Works, PSpice).
Дляповышения эффективности использования установленного оборудования каждыйфункциональный блок или модуль комплекса целесообразно рассматривать в однихслучаях как объект изучения, а в других — как технологическое оборудование дляизучения других объектов. При этом выбор конкретного объекта изучения и режимовего работы должен производиться автоматически по заданию удаленногоисследователя.
При этомпринципиально осуществляется отказ от тиражирования однотипного оборудования,применяемого в составе учебного курса, и организуется фронтальное выполнениеэкспериментальных работ с помощью ограниченного набора универсальноголабораторного оборудования. Предполагается также наличие многих рабочих мест,представляющих собой персональные компьютеры, связанные со средствами измеренияи управления лабораторным оборудованием по локальной или глобальнойкомпьютерной сети.
Программноеобеспечение (ПО)комплекса выполняется многоуровневым и включает ряд компонентов,выполняющих различные функции:
· ПО объектногоуровня содержитнабор программ-драйверов управления стандартными и специально разработаннымисредствами многоканального аналогового, цифрового и частотного измерения иуправления.
· ПО базовогосервера предназначенодля реализации дистанционного обмена информацией между комплексом и рабочимиместами удаленных пользователей и выбрано таким образом, чтобы обеспечитьработы технических средств телекоммуникации и, в частности, поддерживатьпротокол сетевого обмена ТСРЛР.
· ПО рабочегоместа удаленного пользователя создается с применением инструментальных средств: Borland С++, Component Works, Pspiceи др.
Методическоеобеспечение комплексадолжно содержать полную совокупность средств, необходимых и достаточных для егоиспользования в учебном процессе и научных исследованиях:
· информационно-справочныесредства, предназначенные для изучения теоретических основ исследуемыхфизических процессов;
· программныесредства имитационного компьютерного моделирования динамических процессов всложных технических системах и их компонентах;
· средстваподготовки и проведения натурных исследований сложных технических систем и ихкомпонентов в режиме удаленного доступа;
· средстваобработки и анализа экспериментальных данных для практической проверкиадекватности применяемых математических моделей.
Подсистемамоделирования включаетсовокупность математических моделей различного физического содержания(например, электромагнитную, электромеханическую, тепловую и т.д.), а такжематематические модели используемых технологических процессов. Еслиматематические модели достаточно просты, то их носителем может быть один достаточномощный компьютер. Однако для эффективной работы в реальном масштабе времениодновременно нескольких математических моделей целесообразно воспользоватьсянесколькими менее мощными компьютерами с сетевым обменом информацией. При этомдля обмена информацией между подсистемами объектного и модельного уровнейнеобходима — организация и поддержка «шлюза» обмена данными,сложность которого зависит от выбранных исходных интерфейсов на каждом уровне.
Важноесвойство компьютерных моделей состоит в возможности имитировать различныережимы работы объектов изучения, а также переходы от одного режима к другому.Следует также предусмотреть имитацию, например, независимого или подчиненногоизменения электропитания, электрических, механических, тепловых нагрузок. Наконец,имитационные модели должны учитывать случайные факторы, неизбежно влияющие нафункционирование системы, т.е. модели должны быть вероятностными. В функциивероятностных моделей необходимо включить также возможности оценки корреляциипоказателей системы, что может обеспечить уменьшение количества информационныхканалов и объем сохраняемых и обрабатываемых данных в процессе контроля идиагностики.
Системакомпьютерных моделей, как правило, должна быть многоуровневой. С помощьюнаиболее полных моделей имитируются динамические процессы в вероятностнойпостановке, в результате чего получаются опорные данные, непосредственноиспользуемые в процессах диагностики, управления, и прогнозирования, Важноучесть при этом вероятностный характер получаемых опорных данных, что позволяетперейти к решению перечисленных задач с применением понятий нечеткогоматематического программирования.
Второйуровень модельного обеспечения составляют упрощенные регрессионныематематические модели, позволяющие судить о чувствительности системы кизменению множества управляющих воздействий.
Наконец,на третьем уровне функционируют модели в виде совокупности детерминированныхили вероятностных оценок значений контролируемых показателей управляемогообъекта и некоторое множество формализованных правил, необходимых для оценкиситуаций и выработки управляющих воздействий. Эти модели должны работать врежиме реального времени, что предъявляет самые жесткие требования к ихбыстродействию, а следовательно, к допустимой сложности.
Функциональныевозможности предлагаемогокомплекса позволяют ставить и решать качественно новые, недоступные ранее ичрезвычайно важные задачи:
· оперативногомногоканального мониторинга динамических процессов в сложных техническихсистемах;
· диагностики ипрогнозирования технического состояния сложных технических систем и ихкомпонентов;
· идентификациипараметров математических моделей исследуемых объектов по экспериментальнымданным;
· многоканальногофункционально сложного управления техническими системами для обеспечения ихкачественного функционирования.
Ворганизационном плане предполагается тиражирование подобных комплексов и создание на ихоснове отраслевых и региональных учебно-научных Центров при ведущихтехнических университетах и академических институтах, объединенныхнаучно-образовательной компьютерной сетью, что позволит обеспечить значительноесокращение:
· требуемогоколичества квалифицированных педагогических кадров, участвующих в текущемпроцессе обучения, поскольку подготовленные и сертифицированные курсыреализуются на машинных носителях (лазерных дисках) и требуют лишь ограниченнойконсультационной поддержки. Наиболее квалифицированные педагоги должны работатьнад созданием и совершенствованием фундаментальных учебных курсов.
· общего количестваосновного лабораторного оборудования, используемых площадей, затрат энергии,обслуживающего персонала за счет дистанционного коллективного использованияэтого оборудования в режиме дистанционного доступа.
6. Базовые программно-техническиесредства/> создания автоматизированных/> учебных курсов6.1Общие требования
Выборбазовых программно-технических средств разработки является ответственныммоментом, поскольку разрабатываемые с их помощью курсы и практикумы должныпройти сертификацию и отбор на соответствие современному уровню образовательныхтехнологий. Эти технологии базируются на процедурах обмена информациейраспределенными информационными и техническими ресурсами на основекорпоративных образовательных сетей. По этой причине выбор средств разработкидолжен определяется не случайным выгодным вариантом, предлагаемым на достаточноразнообразном рынке, а целевой совокупностью принятых критериев созданияавтоматизированных учебных курсов, а также следующими общими ми требованиями, всоответствии с которыми используемые базою программно-технические средствадолжны быть:
· открытыми, т. е.допускать их свободное конфигурирование и развитие подготовленнымипользователями без дополнительного обращения к изготовителю;
· комплектными, т. с.обеспечивать наилучшее согласование компонентов и допускать свободный обменинформацией между ними;
· стандартными, т.е. выполненными на базе отечественных международных стандартов, как в частииспользуемых конструктивных решений, так и программных продуктов;
· гибкими, т. е.обеспечивать возможность автоматического перестроения конфигурацииоборудования, включая смену объектов исследования по заданиям пользователей сприменением специальных блоков коммутационной аппаратуры;
· информацинносовместимыми, т. е. предполагающими согласованность действий функциональныхэлементов, единство способов кодирования и форматов команд и данных,совместимость адресов и временных характеристик передачи данных;
· электрическисовместимыми, т. е. предполагающими согласованность параметров электрическихсигналов на шинах и линиях связи;
· конструктивно-совместимыми,т. е. обеспечивающими согласованность конструктивных элементов интерфейса,предназначенных для обеспечения механического контакта соединений имеханической замены элементов, блоков и устройств.
Вчастности, конструктивная совместимость определяется:
· типамисоединительных элементов (разъем, штекер и распределение линий связи внутрисоединительного элемента);
· конструкциейплаты, каркаса, стойки;
· конструкциейкабельного соединения.
При этомследует учитывать, что условия конструктивной совместимости в рекомендацияхстандартных интерфейсов не всегда определяются полностью, а в некоторых случаяхмогут отсутствовать или иметь несколько вариантов использования (разъемов,типов кабеля и т.п.).6.2Средства телекоммуникационных технологий
Телекоммуникационныетехнологии базируются на 3-х компонентах, среди которых: физическая среда передачиинформации между абонентами (каналы), организационные структуры передачиинформации (сети) и процедуры формирования информационных потоков(протоколы). При этом различают следующие виды названных компонентов:
Каналыимеют следующие разновидности:
· проводные (кабельные) — многожильныепараллельные, телефонные, витые пары, коаксиальные, оптоволоконные;
· беспроводные —радиорелейные,спутниковые, оптические.
Сети могут быть локальными,корпоративными, глобальными.
Протоколыпринято различать напротоколы компьютерных сетей и полевые протоколы.
Перечисленныеособенности организации телекоммуникационных подсистем необходимо знать,поскольку в конкретных регионах страны исторически сложились их конкретныевиды. Принимая решение об организации образовательного процесса всоответствующем регионе, следует использовать существующие структуры илистремиться к переходу на применение более перспективных технических решений.Знание предельных возможностей используемой телекоммуникационной подсистемы позволяетболее эффективно построить образовательный процесс в открытой образовательнойсреде.
Внастоящее время происходит интенсивный процесс становления новыхобразовательных технологий, основанных на коллективном доступе к распределенныминформационным и техническим ресурсам с использованием корпоративныхобразовательных сетей. Однако отсутствие единой нормативной базы приводит кинформационному засорению корпоративных сетей.
Как былосказано ранее, широко рекламируемый режим телеконференций, порождая большиепотоки информационного обмена, практически не привносит нового качества впроцесс познания объекта изучения.
Применениетакого режима обмена учебной информацией объективно необходимо только в техслучаях, когда в ходе активного воздействия на удаленный объект появляетсянеобходимость визуальной оценки результата, если его практически невозможнозафиксировать инструментальными средствами.
Проводныеканалы
Параллельныеканалы связифизически реализуются с помощью многожильного кабеля (или печатной платы),причем число жил (печатных проводников) выбирается в соответствии с требуемойразрядностью передаваемой информации (адресов, данных) — обычно 8, 16, 24, 32,64. В целях обеспечения компактности, расстояние между проводниками стараютсяуменьшать, однако при этом увеличиваются межпроводные емкостные связи, чтоприводит к возрастанию взаимных помех, особенно при больших скоростях передачиинформации. Это обстоятельство и является естественным ограничением областиприменения параллельного канала связи. Как правило, он используется дляорганизации высокоскоростных магистралей между отдельнымифункциональными устройствами, удаленными друг от друга в пределах от несколькихсантиметров до 1… .2 м
Диапазонскоростей передачи данных по параллельному каналу очень широк — от 10 Мбит/с(внешние магистрали повышенной протяженности 1-2 м) до 1000 Мбит/с (например, короткие внутренние компьютерные магистрали).
Последовательныеканалы связиразличного типа, содержат преимущественно два проводника, взаимное размещениекоторых имеет следующие разновидности:
1.  Проводники размещены параллельно другдругу на некотором фиксированном расстоянии (телефонный кабель). Каналы,использующие телефонный кабель, самые дешевые, однако они наименее защищены отвнешних помех, у них наиболее высокий показатель межпроводной емкости, а,следовательно, — низкая скорость передачи данных (не более 19200 бит/с).
2.  Проводники перевиты между собою сопределенным шагом и помещены в экранирующую оплетку (витая пара). Такоерешение позволяет значительно снизить уровень внешних помех, несколькоуменьшить межпроводную емкость и увеличить скорость передачи данных до 10Мбит/с.
3.  Проводники располагаются такимобразом, что один из них образует центральную жилу, а другой — гибкую оболочку(оплетку) вокруг центральной жилы с использованием промежуточного изолятора(коаксиальный кабель). Данный кабель имеет практически такую же степень защитыот внешних помех, как витая пара, близкое значение межпроводной емкости и,следовательно, — аналогичную скорость передачи данных до 10 Мбит/с.
4.  Уникальными возможностями дляпередачи данных обладает оптоволоконный кабель. Здесь отсутствует межпроводнаяемкость, поскольку информация передается модуляцией светового потока. Скоростьпередачи данных возрастает до 100 Мбит/с и ограничивается не самим кабелем, аэлектронными системами преобразования информации. Практически обеспечиваетсяполная защита от внешних помех. Стоимость такого кабеля наиболее высокая, но впересчете на передаваемый бит информации оптоволоконный кабель являетсяэкономически наиболее выгодной проводной линией связи, естественно, при условииполного использования его возможностей.
Передачаданных по последовательному каналу происходит последовательно бит за битом,поэтому при прочих равных условиях скорость передачи данных здесь, как минимум,в десять раз ниже, чем скорость передачи данных по параллельному каналу. Взависимости от организации формирования и передачи данных принято несколько международныхстандартов:
· Стандарт RS-232 является самым простым и надежнымсредством связи двух электронных устройств на расстояниях до 15 м. Он имеет возможность варьирования скорости передачи данных от 1,2 до 38,4 Кбит/с, в зависимостиот быстродействия подключаемых устройств. При создании исследовательскогооборудования нового поколения последовательный канал, построенный на стандарте RS-232, становится удобным средствомсвязи автоматизированного оборудования, снабженного интеллектуальнымимикроконтроллерами, и компьютера, выполняющего служебные функции (сервера),поскольку практически каждый компьютер в своем составе имеет стандартный порт RS-232.
· Стандарт RS-485 позволяет создавать систему связисетевой структуры, т.е. включать на один канал связи более двух устройств.Технические средства поддержки данного стандарта позволяют обеспечить скоростьпередачи информации до 500 Кбит/с при удалении абонентов до 1500 метров. RS-485 следует применять враспределенных микроконтроллерных системах, когда расстояние между отдельнымимикроконтроллерами составляет более двух метров.
· Стандарт f~Cтакже предназначен для включения в сеть нескольких устройств,но на расстояниях до I — 1,5 м. Контро,-лер шины ГС, как правило, входит в состав специализированных микроконтроллеров,например, РСВ80С552 фирмы Philips,что делает его применение простым и удобным. Преимуществом стандарта ГС длямежпроцессорного обмена на малом удалении (около 1 м) является наличие встроенного аппаратного контроля ошибок и конфликтов на уровнеприемопередатчиков, значительно снижающего количество ошибок при передачеданных и позволяющего существенно повысить скорость работы системы связи вцелом (до 115 Кбит/с).
Беспроводныеканалы
Ссемидесятых годов началось развитие беспроводных линии связи для передачиданных. Первоначально наибольшее развитие получили радиорелейные линии, способныеобеспечить передачу потоков информации со скоростями 32, 64, 128 бит/с. Вдальнейшем скорости передачи информации по радиорелейным линиям были увеличеныдо 2048 Кбит/с и более. Недостатком радиорелейных систем является работа тольков пределах прямой видимости и относительно высокая стоимость, поэтому онипреимущественно используются при передаче потоков информации для привязки кмощным кабельным или спутниковым магистралям передачи информации.
Делалисьпопытки строительства линий передачи информации по лазерным каналам передачиданных. Экспериментальная лазерная линия связи «МГУ — Главпочтамт»,построенная в 80-е годы, работает и в настоящее время.
В рядеслучаев используются комбинированные системы, когда на кабельные линиипри преодолении больших преград, например, водных (крупные реки), делаютлазерные вставки. Однако широкого распространения лазерные линии связи неполучили из-за нестабильности связи при изменении погодных условий.
Наибольшееразвитие в последние 10—15 лет получили спутниковые системы связи, гденаблюдается устойчивый прогресс по следующим причинам:
· полнота охватаповерхности Земли;
· независимость отклиматических и погодных условий;
· высокаянадежность;
· возможностьполучения практически неограниченной пропускной способности. Например, системаспутниковой связи «Ямал» имеет полную пропускную способность 12500дуплексных каналов по 32 Кбит/с. При этом пользователям предоставляются каналыразличных типов: 2,4; 4,8; 9,6; 2048 Кбит/с;
· приемлемыепоказатели по стоимости.
Здесьнеобходимо уточнить экономические особенности использования радиорелейной испутниковой связи. Если на малых расстояниях радиорелейный канал в 64 Кбит/с(или ствол в 2048 Кбит/с) выгоднее спутникового, на больших расстоянияхсравнительная стоимость передачи информации по спутниковому каналу становится в5 — 6 раз более выгодной.
Во всеммире широко развиваются системы сотовой радиосвязи. Первоначально онипредназначались для ведения телефонных переговоров, но в последнее время всебольше захватывают и область передачи всех видов информации, предоставляяабоненту услуги по передаче данных с пропускной способностью от 96 до 2048Кбит/с.
Стоимостьпередачи информации в сотовых сетях гораздо выше, чем в радиорелейных илипроводных (до 1,0 $/мин за передачу данных со скоростью 64 Кбит/с), нопредоставляемые пользователю Удобства и простота сопряжения с глобальнымисетями передачи информации даже в движении являются привлекательными для многихпользователей. Перспективным направлением во всем мире признано создание гибридныхсистем передачи информации на базе ATM-технологи и (Asynchronous Transfer Mode — тип коммутационной технологии, при котором по сетипередаются небольшие порции данных фиксированного размера), в первую очередь,объединяющих достоинства сотовой и спутниковой связи.
Внастоящее время развиваются программы по.созданию всемирных сетей спутниковойсвязи («Иридиум», «Глобалстар», «Ростелесат» идр.) на низко летящих спутниках (одновременно от 40 до 120 спутников наорбите), позволяющих обеспечить доступ для передачи и приема всех видов информации(голос, данные, изображение) с мобильных или стационарных объектов.
Перспективнымявляется создание линий лазерной связи в диапазонах инфракрасного иультрафиолетового излучения. Во многих странах, в том числе в России,проводятся исследования в этой области, в том числе для передачи информациирассеянным или отраженным от верхних слоев атмосферы излучением.
Определеннаяноменклатура устройств для этих целей уже выпускается как за рубежом, так и внашей стране. Главным преимуществом этой техники является отсутствие затрат наиспользование частотного диапазона, составляющих существенную часть стоимостисотовых и спутниковых каналов связи. Однако дальность подобных линий связи внастоящее время невелика (в среднем до 1,5-3 км), и они подвержены промышленным помехам. Ориентировочно стоимость использования каналов связи, построенных поэтому принципу, будет от 1,5 до 3 раз меньше стоимости применения традиционныхканалов.
В Россииразработки по этой тематике ведутся в Институте проблем передачи информацииРАН. Так называемый «инфракрасный прожектор», разработанный здесь,позволит даже в городских условиях при наличии большого числа источниковинфракрасного излучения передавать информацию, кодированную исправляющим ошибкикодом со скоростью до 8 Мбит/с на дальность до 5 км. Устройство предназначено для привязки абонентов с большими информационными потребностями ксетям передачи данных типа Интернет. Причем стоимость использования«инфракрасного прожектора» существенно ниже, чем аналогичной попропускной способности кабельной линии связи, радиорелейной или сотовой связи.
В целом,беспроводные линии связи в последнее время получили мощный импульс развития,вызванный, с одной стороны, растущими в геометрической прогрессии потребностямив передаче большими объемов информации в минимальные сроки, при обеспечениипользователю удобного, простого и экономически привлекательного доступа кинформационным ресурсам; с другой стороны — бурным прогрессом цифровых методовпередачи и обработки информации, появлением принципиально новых технологийобработки, организации передачи и сжатия информации, дальнейшей миниатюризациейэлектронных компонентов. Как показывает статистика, каждые десять летпотребность в передаче информации увеличивается в десять раз.
Поэтомув 1998-1999 годах ряд ведущих государств, в том числе и Россия, подписалиСоглашение о совместном строительстве единого глобального информационногопространства, призванного как облегчить пользователям обмен информацией, так иобеспечить широкий доступ к уже созданным информационным ресурсам длявсестороннего укрепления международного сотрудничества и доверия междустранами.
Основныесетевые топологии
Сетеваятопология описывает структуру объединения различных устройств. Существуетнесколько видов топологий, отличающихся друг от друга по трем основнымкритериям:
· режиму доступа ксети;
· средствамконтроля, передачи и восстановления данных;
· возможностиизменения числа узлов сети.
Основнымиприменяемыми топологиями являются «звезда», «кольцо» и«шина».
В звездообразнойтопологии вся информация передается через некоторый центральный узел.Каждое устройство имеет свою собственную среду соединения (каналы связи,программная поддержка). Все периферийные станции могут обмениваться друг сдругом только через центральный узел. Преимуществом этой структуры является то,что на среду передачи не может влиять никто, кроме ее собственника. С другойстороны, центральный узел должен быть исключительно надежным устройством. Крометого, расширение сети возможно только в том случае, если организован порт дляего подсоединения к Центральному узлу.
В кольцевойструктуре информация передается от узла к узлу по физическому кольцу.Приемник копирует данные, регенерирует их вместе со своей квитанциейподтверждения следующему устройству в сети. Когда начальный передатчик получаетсвою собственную квитанцию, это означает, что его информация была корректнополучена адресатом. В кольце не существует определенного централизованногоконтроля. Каждое устройство получает функции управляющего контроллера (такназываемый «маркер») на строго определенный промежуток времени. Отказв работе хотя бы одного узла приводит к нарушению работы кольца, а,следовательно, и к остановке всех передач.
В любой шиннойструктуре все устройства подсоединены к общей среде передачи данных, илишине. В отличие от «кольца» адресат получает свой информационныйпакет без посредников. Процесс подключения к шине дополнительных узлов нетребует аппаратных доработок со стороны уже работающих узлов сети, как этоимеет место в случае топологии «звезда». Однако шинная топологиятребует жесткой регламентации доступа к среде передачи.
Существуетдва метода регулирования такого доступа -«шинного арбитража»:
· «фиксированныймастер» (централизованный контроль шины), в соответствии с которым доступк шине контролируется центральным мастер-узлом;
· «плавающиймастер» (децентрализованный контроль шины) благодаря собственномуинтеллекту каждое устройство само определяет регламент доступа к шине.
Протоколыобмена информацией
Протоколыобмена информацией — это принятые определенные правила построенияинформационных потоков, которые делают пере даваемую кодированную информациюпонятной всем абонентам Обычно к числу таких правил относят: структуру построенияблока данных, приемы реализации их контроля и пр.
Следуетучитывать, что сложные протоколы повышают надежность передачи информации, нозначительно снижают скорость ее передачи.
Принципиальнокаждый разработчик автоматизированной системы может использовать свойсобственный протокол.
Однакоподобная система будет доступна ограниченному кругу пользователей и не можетбыть интегрирована в сложные сетевые процессы обмена информацией.
Поэтомув международной практике приняты соответствующие стандарты на протоколы обменаинформацией, среди которых можно выделить две крупные ветви: протоколы компьютерныхсетей и полевые протоколы, работающие на уровне промышленных или полевых линийсвязи.
Протоколыкомпьютерных сетей
Средипротоколов информационных компьютерных сетей наибольшее распространениеполучило семейство (стек) протоколов TCP/IP (TransmissionControlProtocol/ InternetProtocol). Его лидирующая роль объясняется следующими свойствами:
· это наиболеезавершенный стандартный и в то же время популярный стек сетевых протоколов,имеющий многолетнюю историю;
· почти все большиесети передают основную часть своего трафика с помощью протокола ТСР/IР;
· это методполучения доступа к сети Internet;
· этот стек служитосновой для создания Intranet — корпоративной сети, использующей транспортные услуги Internet и гипертекстовую технологию WWW, разработанную в Internet;
· все современныеоперационные системы поддерживают стек ТСР/IP;
· это гибкаятехнология для соединения разнородных систем как на уровне транспортныхподсистем, так и на уровне прикладных сервисов;
· это устойчиваямасштабируемая межплатформенная среда для приложений клиент-сервер.
ПротоколыТСР/IP делятся на 4 уровня:
УровеньIVподдерживает все популярные стандартыфизического и канального уровней:
· для локальных сетей — это Ethernet, Token Ring, FDDI, FastEthernet, l00VG-AnyLAN;
· для глобальныхсетей — протоколы соединений «точка — точка» SLIP и РРР, протоколы территориальных сетей с коммутациейпакетов Х.25, frame relay;
· разработанаспецификация, определяющая использование технологии ATM в качестве транспорта канального уровня;
· при появленииновой технологии локальных или глобальных сетей она быстро включается в стек ТСP/IP за счет разработки соответствующего RFC (Request for Comment) — серии документов, описывающихсетевые сервисы и протоколы.
УровеньIII— это уровень межсетевого взаимодействия, которыйзанимается передачей пакетов данных с использованием различных транспортныхтехнологий локальных сетей, территориальных сетей, линий специальной связи и т.п.:
· В качествеосновного протокола сетевого уровня в стеке используется протокол IP (Internet Protocol), который первоначальнопроектировался как протокол передачи пакетов в сетях, состоящих из большогоколичества локальных сетей, объединенных как локальными, так и глобальнымисвязями. Поэтому протокол IPхорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие вних подсистем и экономно расходуя пропускную способность связи.
· К уровнюмежсетевого взаимодействия относятся и все протоколы, связанные с составлениеми модификацией таблиц маршрутизации, такие как протоколы сбора маршрутнойинформации RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open ShortestPath First), а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol). Последний из перечисленных протоколовпредназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети иузлом-источником пакета данных. С помощью специальных пакетов ICMP сообщается о невозможности доставкипакета, о превышении времени жизни или продолжительности сборки пакета изфрагментов, об аномальных значениях параметров, об изменении маршрута пересылкии типа обслуживания, о состоянии системы и т.п.
УровеньIIназывается основным. На этом уровнефункционируют протокол управления передачей TCP (Transmission ControlProtocol) и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol). Протокол TCP обеспечивает надежную передачу сообщений междуудаленными прикладными процессами за счет образования виртуальных соединений.Протокол UDP обеспечивает передачу прикладныхпакетов дейтаграммным способом, как и IP, и выполняет только функции связующего звена между сетевым протоколом имногочисленными прикладными процессами.
Уровень1 называетсяприкладным. За долгие годы использования в сетях различных стран и организацийстек ТСР/IP накопил большое количествопротоколов и сервисов прикладного уровня, к которым относятся:
· Протоколпересылки файлов FTP (File Transfer Protocol) реализует удаленный доступ к файлу.Для того чтобы обеспечить надежную передачу, FTP использует в качестве транспорта протокол сустановлением соединений — TCP.Кроме пересылки файлов протокол FTPпредлагает и другие услуги. Так, пользователю предоставляется возможностьинтерактивной работы с удаленной машиной, например, он может распечататьсодержимое ее каталогов. Наконец, FTP выполняет аутентификацию пользователей. Прежде чем получить доступ кфайлу, в соответствии с протоколом пользователи должны сообщить свое имя ипароль. Для доступа к публичным каталогам FTP-архивов Internet парольная аутентификация не требуется, и ее обходят за счетиспользования для такого доступа предопределенного имени пользователя Anonymous.
· В стеке TCP/IPпротокол FTP предлагает наиболее широкий наборуслуг для работы с файлами, однако он является и самым сложным для программирования.Приложения, которым не требуются все возможности FTP, могут использовать другой, более экономичныйпростейший протокол пересылки файлов TFTP (Trivial File Transfer Protocol). Этот протокол реализует толькопередачу файлов, причем в качестве транспорта используется более простой, чем TCP, протокол без установлениясоединения — UDP.
· Протокол telnet обеспечивает передачу потока байтовмежду процессорами, а также между процессором и терминалом. Наиболее часто этотпротокол используется для эмуляции терминала удаленного компьютера. Прииспользовании сервиса telnetпользователь фактически управляет удаленным компьютером также, как локальныйпользователь, поэтому такой вид доступа требует хорошей защиты. Поэтому серверыtelnet всегда используют как минимумаутентификацию по паролю, а иногда и более мощные средства защиты, например,систему Kerberos.
ПротоколSNMP (Simple Network Management Protocol) используется для организациисетевого управления. Протокол SNMPбыл разработан для удаленного контроля и управления маршрутизаторами Internet (шлюзами). С ростом популярностипротокол SNMP стали применять и для управлениялюбым коммуникационным оборудованием — концентраторами, мостами, сетевыми адаптерамии т.д.
Полевыепротоколы
Сети,обеспечивающие информационные потоки между контроллерами, датчиками сигналов иразнообразными исполнительными механизмами, объединяются общим названием«промышленные сети или „полевая шина“ (FieldBus). Протоколы, по которым работаютполевые шины, относят к полевым протоколам.
Основнаязадача полевых сетей (следовательно, и полевых протоколов) — обеспечитьсовместимость на уровне сети аппаратных средств от разных производителей.
Предпочтительностьтого или иного сетевого решения как средства транспортировки данных можнооценить по следующей группе критериев:
· объемпередаваемых полезных данных;
· время передачификсированного объема данных;
· удовлетворениетребованиям задач реального времени;
· максимальнаядлина шины;
· допустимое числоузлов на шине;
· помехозащищенность.
Частоулучшение по одному параметру может привести к снижению качества по другому, тоесть при выборе того или иного протокольного решения необходимо следоватьпринципу разумной достаточности. Наиболее распространенными полевымипротоколами являются:
ПротоколMODBUSразработан фирмой Gould Inc. для построения промышленных распределенных системуправления. Специальный физический интерфейс для него не определен и может бытьвыбран самим пользователем: RS-232C, RS-422,RS-485 или токовая петля 20мА.
Протоколработает по принципу Master/Slave. В сети могут находиться одновременноодин Master-узел и до 247 Slave-узлов. Master-узел инициирует циклы обмена данными двух видов: запрос/ответ(адресуется только один из Slave-узлов)и широковещательная передача данных.
Протоколописывает фиксированный формат команд, последовательность полей в команде,обработку ошибок и исключительных состояний, коды функций. Каждый запрос состороны ведущего узла включает код команды (чтение, запись и т.д.), адресабонента, размер поля данных, собственно данные и контрольный код. В наборкоманд входят чтение/запись данных, функции диагностики, программные функции ит.п. Протокол MODBUSможно назватьнаиболее распространенным в мире. Он привлекателен своей простотой инезависимостью от физического интерфейса.
ПротоколBITBUSразработан фирмой Intel в 1984 году для построения распределенныхсистем, в которых должны быть обеспечены высокая скорость передачи инадежность. Протоколу был присвоен статус стандарта IEEE 1118. Используется принцип Master/Slave.физический интерфейс основан на RS-485.Протокол не дает возможности построения сложных систем из-за простоты структурыего информационных пакетов. Он определяет два режима передачи данных по шине:
· Синхронныйрежим используетсядля работы на большой скорости, но на ограниченных расстояниях: от 500 до 2400кбит/с на расстоянии до 30 м. При этом в сеть может быть включено до 28 узлов.
· Режим ссамосинхронизацией, когдапередача возможна на скоростях 375 Кбит/с (до 300 м) и 62,5 Кбит/с (до 1200 м). Используя шинные повторители, можно объединять последовательнонесколько шинных сегментов (до 28 узлов на каждом). Тогда общее число узловможно довести до 250, а длину шины — до нескольких километров.
ПротоколPROFIBUS(ProcessFieldBus) первоначально предназначался для выполнения следующихдействий:
· организации связис устройствами, гарантирующими быстрый ответ;
· создания простойи экономичной системы передачи данных, основанной на стандартах;
· реализацииинтерфейса между протоколами передачи данных и пользователем.
В PROFIBUSиспользуется гибридный метод доступав структуре Master/Slave и децентрализованная процедура передачи маркера. Сетьможет состоять из 122 узлов, 32 из которых могут быть Master-узлами. В среде Master-узлов передается маркер — право проведения цикловпередачи данных по шине. Все циклы строго регламентированы по времени,организована продуманная система тайм-аутов.
ПротоколPROFIBUSявляется наиболее развивающимся изавоевывает все большую популярность.
Локальныекомпьютерные сети
Локальнаякомпьютерная сеть или локальная вычислительная сеть (ЛВС, LAN — Local Area Network) — это объединение компьютеров и другихустройств для создания общих ресурсов и совместного использования данных.Компьютеры, входящие в состав ЛВС, расположены на небольших расстояниях один отдругого (комната, этаж, небольшое здание и т.п.). Существуют различные типыЛВС: Ethernet, как описано в стандарте IEEE 802.3, представляет собойкомпьютерную сеть, основанную на использовании протокола CSMA/CD (множественный доступ к среде с детектированием несущей иобнаружением конфликтов) при передаче электрических сигналов по соединяющемукомпьютеры кабелю. Метод CSMA/CD обеспечивает каждой станциивозможность передачи данных в сетевой кабель, при этом все станции имеют равныеправа. Прежде, чем начать передачу данных, станция должна „прослушатьсреду“ и определить: не используется ли кабель в данный момент другойстанцией. Если сеть занята, станция повторяет попытку по истечении случайногоинтервала времени. Если же среда свободна, станция начинает передачу данных.
СтандартIEEE 802.3 содержит несколькоспецификаций, отличающихся топологией и типом используемого кабеля. Например,10BASE-5 использует толстый коаксиальныйкабель, 10BASE-2 тонкий, a 10BASE-F, 10BASE-FB, 10BASE-FL и FOIRLиспользуют оптический кабель. Наиболее популярна спецификация IEEE 802.3I 10BASE-T, в которой для организации сетииспользуется кабель на основе неэкранированных скрученных пар с разъемами RJ-45. Ethernet поддерживает скорости передачиинформации 10 и 100 Мбит/с.
Token Ring (маркерное кольцо) — это локальнаякомпьютерная сеть, в которой передача информации (при скорости передачи 4 и 16Мбит/с) организована на следующих основных принципах:
· станцииподключаются к сети по топологии „кольцо“;
· все станции,подключённые к сети, могут передавать данные, только получив разрешение напередачу (маркер);
· в любой моментвремени только одна станция в сети обладает таким правом.
Управлениестанциями в сети Token Ring происходит с помощью передачи специальногокадра — маркера. Станция, которая приняла маркер, получает право на передачу иможет передавать данные. Для этого станция удаляет маркер из кольца, формируеткадр данных и передаёт его следующей станции. В сети Token Ring все станции принимают и ретранслируют все кадры,проходящие по кольцу. При приёме станция сравнивает поле адреса кадра ссобственным адресок;. Если адреса не совпадают, то кадр передаётся далее покольцу без изменений. Если адреса совпадают, или принят кадр сшироковещательным адресом, то содержимое копируется в буфер станции, а порезультатам приёма вносятся изменения в поле статуса кадра. Загс кадрпередаётся далее по сети и, таким образом, возвращается на станцию-отправитель.Получив кадр, станция-отправитель проверяет поле статуса кадра, формируетмаркер и передаёт его следующей станции. Таким образом, следующая станцияполучает право на передачу данных.
Впоследние несколько лет наметилось движение к отказу от использования влокальных сетях разделяемых сред передачи данных. Наметился переход на обязательноеиспользование между станциями активных коммутаторов, к которым конечные узлыприсоединяются индивидуальными линиями связи. В чистом виде такой подходпредлагается в технологии ATM, асмешанный подход, сочетающий разделяемые и индивидуальные среды передачиданных, используется в технологиях, носящих традиционные названия с приставкой switching (коммутирующий): switching Ethernet, switching Token Ring и т.д.
Корпоративныесети
Корпоративнаясеть — это (как и ЛВС) сеть, объединяющая компьютеры и другие устройства длясоздания общих ресурсов и совместного использования данных. Но, в отличие отЛВС, корпоративные сети объединяют компьютеры в масштабе крупных предприятийили других образований, например администрация города или банковская система: всостав корпоративной сети может входить несколько сотен или тысяч компьютеров,находящихся на значительном расстоянии друг от друга, даже в разных городах.Компьютеры отдельных подразделений обычно объединяются в ЛВС, которые иохватываются единой корпоративной сетью с помощью самых разнообразных каналовсвязи и сетей различного типа.
Разветвленностьи большое количество абонентов сети делает крупные корпоративные сети похожимина Internet. В связи с этим в корпоративныхсетях все больше применяются хорошо развитые технологии Internet, использующие протоколы прикладногоуровня ТСР/IP: корпоративная почта, доступ кфайлам, базам данных и т.п. Такие сети получили название Intranet.
Глобальнаякомпьютерная сеть
Сеть Internet (Интернет) можно описать какогромную цифровую магистраль — систему, связывающую миллионы компьютеров,подключенных к тысячам сетей по всему миру. Ее прошлое уходит своими корнями вэпоху холодной войны, конец 60-х — начало 70-х годов. Первоначально данныеразработки финансировались правительством США, и сеть, ставшая предшественницейInternet, была специально спроектированатаким образом, чтобы обеспечить коммуникации между правительственными узлами втом случае, если часть ее выйдет из строя в результате ядерной атаки.Применяемый в ней протокол TCP/IP разработан с учетом того, чтобы компьютерывсех видов могли совместно использовать сетевые средства и непосредственновзаимодействовать друг с другом, как одна эффективно интегрированнаякомпьютерная сеть. Сегодня сеть Internet связывает уже десятки миллионов пользователей компьютеров во всем мире.Эта глобальная „сеть сетей“ охватывает тысячи университетских,правительственных и корпоративных сетевых систем, связанных высокоскоростнымичастными и общедоступными сетями.
Internet — этообщедоступная сеть, открытая для любого пользователя, имеющего модем и/илиинсталлированное программное обеспечение для работы по протоколу TCP/IP. Допускв Internet через постоянное сетевое соединениеили коммутируемую линию предоставляется провайдером услуг Internet (Internet Service Provider — ISP).
Internetфункционирует, не имея никакой центральной организации, которая осуществляла быуправление или руководство ею, за исключением, Центра сетевой информации Internet — InterNIC (Internet Network Information Center), организации, предлагающей информационные ирегистрационные услуги пользователям Internet. 6.3 Средства измерительных иуправляющих технологий
Всесредства измерительных и управляющих технологий образуют две подсистемы:
· Подсистемуизмерения (датчики,измерительные преобразователи, каналы ввода устройств сопряжения ЭВМ собъектом). Эта подсистема предназначена для контроля заданной совокупностианалоговых, частотных и дискретных параметров объекта изучения, ихпредварительного преобразования к нормализованному виду, а также преобразованиянормализованных сигналов в цифровой код, необходимый для обеспечения ввода вЭВМ.
· Подсистемууправления (регуляторы,исполнительные механизмы, каналы вывода устройств сопряжения ЭВМ с объектом),которая предназначена для приема от ЭВМ управляющих воздействий в кодированномвиде, преобразования полученных цифровых кодов в электрические сигналыаналоговой, импульсной, частотной или дискретной формы и передачи их в органыуправления.Датчики и измерительные преобразователи
Датчики- это устройства, реагирующие своими чувствительными элементами на изменениятого или иного параметра исследуемого объекта и преобразующие эти изменения вформу удобную для последующей передачи информации (обычно в электрическийсигнал). Существует множество видов и типов датчиков, способных контролироватьпроцессы различной физической природы: электрические, тепловые,механические, магнитные, оптические и т.д.
Привыборе типа датчика любого назначения следует руководствоваться несколькимиобщими принципами.
Приналичии выбора необходимо, прежде всего, ориентироваться на датчики прямогооднократного преобразования, что позволяет минимизировать потери иискажения информации. При ограниченности выбора вполне допустимо использованиедатчиков многократного преобразования и даже косвенных методовизмерения, когда интересующий параметр не измеряется непосредственно, авычисляется по результатам замера косвенных параметров, однако при этом следуетболее тщательно относиться к их тарировке.
Например,датчик температуры на основе термопары осуществляет прямое однократноепреобразование измеряемой температуры в напряжение, которое непосредственноизмеряется без дополнительных преобразований.
Вдатчике напряжения на основе эффекта Холла измеряемое напряжение вначале преобразуетсяв электрический ток (первое преобразование), который, проходя по измерительнойобмотке, создает в сердечнике магнитного концентратора магнитное поле (второепреобразование), а затем в элементе Холла магнитная индукция преобразуется вэлектрическое напряжение низкого уровня (третье преобразование). Как правило,датчики Холла выполняются в интегральном исполнении со встроенными средствамиусиления и стабилизации параметров (четвертое преобразование).
Такойпараметр, как момент вращения электродвигателя непосредственно замеритьдостаточно трудно, поэтому часто замеряют Косвенные параметры (частотувращения, электрические параметры нагрузочного устройства) и по ним вычисляютискомый момент. При достаточно большом удалении физического объекта от вычислительныхсредств обработки информации (более 10 м) целесообразно выбирать датчики со встроенными измерительными преобразователями и цифровым выходом, чтозначительно снижает уровень возможных помех на длинной линии связи, особеннопри наличии источников помех, например, от промышленных объектов. Как правило,подобные структуры датчиков реализуются с использованием микропроцессорныхсредств и называются „интеллектуальными“ (рис.3.1.).
Притаком подходе возможны не только предварительное преобразование измеряемогосигнала, но также предварительная обработка (сжатие) информации. Например,несколько сотен мгновенных значений измеряемого сигнала усредняются на заданноминтервале времени, и в центральную систему передается только одно среднеезначение, что значительно упрощает работу центрального вычислительногоустройства.
Приизучении динамических процессов, например, с целью идентификации динамическихпараметров математических моделей, важен синхронный контроль измененияодновременно нескольких параметров объекта на одно и то же возмущение. Длярешения таких задач современных высокоэффективных исследований целесообразноприменение многоканальных синхронизированных датчиков.
Например,при изучении энергетических параметров в многофазных энергосистемах важенсинхронный контроль трех фазных токов и трех фазных напряжений. Был созданспециальный 6-канальный интеллектуальный датчик, способный по каждому каналуизмерять и запоминать в буферном накопителе до несколько сотен мгновенныхзначений с последующей их обработкой и передачей информации в центральноевычислительное устройство.
Используемыев составе измерительных каналов измерительные преобразователи (кондиционерысигналов) — это устройства, осуществляющие преобразование электрических сигналови приведение их к удобному (нормализованному) для дальнейшего использованияуровню или виду. К ним относятся усилители, нормализаторы, фильтры,гальванические развязки, искрогасящие барьеры, преобразователи типаток/напряжение, частота/напряжение и другие подобные устройства. Чаще всегоконструктивно они выполняются в виде отдельных блоков. В международной практикеиспользуют нормализованные ряды первичных преобразователей. 6.4 Регуляторы и исполнительныемеханизмы
Регуляторы— это чаще всего логические устройства, воспроизводящие заданную логикууправления (алгоритмы управления), а исполнительные механизмы — это силовыеустройства, реализующие воздействие на элементы экспериментальной установкиили непосредственно на объект изучения в соответствии с заданным алгоритмом.
Иногдаэти понятия объединяют и говорят, например, „регулятор напряжения“,понимая под этим и логику управления, и силовой элемент, например, в виде силовоготранзистора или реле (релейный регулятор напряжения).
Существуетнесколько общепринятых типов регуляторов, которые предназначены для решенияразличных задач управления:
· релейный (Р) — простейший типдискретного регулятора, у которого амплитуда выходного сигнала дискретноизменяется только на двух уровнях: Uвых(t) = 0 или Uвых(t) = Uвых(max);
· основанный на широтно-импульсноймодуляции (ШИМ) сигналов — это более сложный тип дискретного регулятора, укоторого амплитуда выходного сигнала управления также дискретно изменяетсятолько на двух уровнях: Uвыx(t) = 0 или Uвых(t) = Uвых(max), но имеется возможность управления длительностьюдискретного состояния, что обеспечивает более высокое качество управления;
· частотный (Ч)- это типрегулятора, у которого выходной сигнал представляет собою изменение частоты вфункции входного сигнала, что удобно и необходимо для целого ряда задачуправления, например, в области электроники и электротехники;
· пропорциональный(П) — простейший типаналогового регулятора, у которого выходной сигнал управления пропорционален сзаданным коэффициентом входному сигналу Uвых(t) = kUBX(t);
· интегральный(И) — типаналогового регулятора, у которого выходной сигнал управления пропорционаленинтегралу входного сигнала UBblx(t) = k2 J UBX(t)dt;
· дифференциальный(Д) — типаналогового регулятора, у которого выходной сигнал управления пропорционаленпроизводной входного сигнала UBblx(t) = k3dUBX(t)/dt;
· пропорционально-интегральный(ПИ) — типаналогового регулятора, у которого выходной сигнал управления пропорционален сзаданным коэффициентом входному сигналу и его интегралу U.ux(t) = k,Ulx(t) + k2 J UBX(t) dt;
· пропорционально-дифференциальный(ПД) — типаналогового регулятора, у которого выходной сигнал управления пропорционален сзаданным коэффициентом входному сигналу и его производной UBblx(t) = k|UBX(t) + k3dUBX(t)/dt;
· пропорционапъно-интегрально-дифферет^иальный(ПИД) — типаналогового регулятора, у которого выходной сигнал управления пропорционален сзаданными коэффициентами входному сигналу, его интегралу и производной UBb,x(t) = k|UBX(t) + k2 J U.,(t) dt + k3dUBX(t)/dt;
· адаптивный (А)— это наиболеесложный тип регулятора, у которого структура и параметры могут изменяться взависимости от значений контролируемых параметров или каких-либо внешнихусловий.
Реализацияразличных типов регуляторов возможна как простейшими аппаратными средствами,например, с использованием операционных усилителей, цифро-аналоговыхпреобразователей, программируемых таймеров и пр., так и с использованиеммикропроцессорных средств.
Последнеерешение более предпочтительно, поскольку позволяет дополнительно реализоватьболее сложные адаптивные алгоритмы программного изменения как структурырегулятора, так и его параметров. Особое внимание при выборе средств управленияследует обращать на возможность реализации нескольких разнородных каналовуправления. Здесь также предпочтительно использование микроконтроллеров.Например, микроконтроллер типа РСВ80С552 фирмы Philips имеет два независимых канала ШИМ, два независимыхцифро-аналоговых преобразователя и три канала частотного управления. Спектрисполнительных механизмов достаточно широк и обычно ориентирован на прикладныеобласти применения:
· в теплотехнике~ устройстванагрева, охлаждения и т.д.;
· вэлектротехнике — реле,контакторы, электродвигатели, электронные преобразователи частоты и напряженияи пр.;
· в гидравлике —насосные икомпрессорные агрегаты, задвижки и вентили и т.д.
Общимтребованием ко всем исполнительным механизмам является возможность ихавтоматического управления, что не всегда просто реализуется и требует иногдаразработки уникальных силовых устройств. Например, для реализации различныхалгоритмов управления электроприводами потребовалось разработать универсальныймногофазный преобразователь частоты и напряжения мощностью 1000 Вт, у которогорегулируются:
· уровень выходногонапряжения в диапазоне 0...220 В с дискретностью не хуже 1 В;
· частота выходногонапряжения в диапазоне 0...1000 Гц с дискретностью не хуже 1 Гц;
· тип выходногонапряжения (постоянное, переменное);
· форма выходногонапряжения (меандр, ступенчатая, квазисинусоидальная).
Устройствасопряжения с объектом
Устройствасопряжения с объектом (УСО) предназначены для передачи и преобразования самойразнообразной информации от объекта изучения к обрабатывающим вычислительным средствам(микропроцессорам, компьютерам), а также для преобразования и передачиуправляющих воздействий от вычислительных средств к объекту.
Существуетмножество разнообразных УСО, которые можно разделить на следующие основныетипы:
· приборныйинтерфейс GPIB (HPIB, МЭК 625.1, КОП);
· магистрально-модульныесистемы (MMS);
· встраиваемые вкомпьютер измерительно-управляющие платы (Plugin-Card);
· программируемыелогические контроллеры (PLC);
· комбинированныемногоуровневые иерархические системы.
Приборныйинтерфейс GPIB(HPIB, МЭК 625.1, КОП). Приборный интерфейс был предложенамериканской фирмой HewlettPackard в 1972 г.- HPIB (Hewlett Packard Interface Bus), признан международным стандартом в 1975 г. — МЭК 625.1 (Международная Электротехническая Комиссия, протокол 625.1) и принят и России в 1980 г. — КОП (Канал Общего Пользования — Российский стандарт).
Приборныйинтерфейс представляет собою дополнение цифрового измерительного прибора свстроенной в него интерфейсной платой GPIB (General Purpose Interface Bus). Интерфейсная плата реализующих дистанционноепрограммное управление всеми параметрами прибор си удаленного управляющегокомпьютера, снабженного интерфейсной платой адаптера, которая обеспечиваетсогласование магистрали используемого компьютера с 16-разрядной магистральюприборного интерфейса. С помощью специального 24-жильного кабеля возможнообъединение нескольких цифровых измерительных приборов в измерительную системусложной конфигурации. Максимально допускается объединение до 15 приборов собщей длиной магистрали 20 м.
Использованиев составе лабораторного оборудования приборного интерфейса оправдано в двухслучаях:
· когда уже существующеелабораторное оборудование было построено именно на этом принципе, накоплен опытработы с ним и нет веских оснований для перехода на другие системы;
· в тех уникальныхслучаях, когда нет других средств для контроля необходимых параметров.
Во всехдругих случаях следует по возможности избегать применения приборного интерфейсаиз-за его громоздкости, относительно высокой стоимости, низкого быстродействия(максимальное быстродействие магистрали приборного интерфейса до 8 Мбайт/с,типовое значение — 1 Мбайт/с), сложности реализации даже простых управляющихфункций.
Магистрально-модульныесистемы (MMS)
Универсальныемагистрально-модульные системы (MMS)представляют собою набор типовых измерительно-управляющих модулей ввода/выводацифровой, аналоговой и дискретной информации, установленных в один изстандартных каркасов (крейтов) с общим блоком энергоснабжения, объединенныхобщей информационной магистралью и управляемых от удаленного компьютерапосредством встроенного в крейт контроллера. Приведенные системы при общностиих основной структуры отличаются конструктивным исполнением, энергетическимипоказателями, функциональными возможностями.
Одна изпервых MMS, принятых в качестве международногостандарта — САМАС (ComputerApplication to Measurement And Control) в 1972 г., успешно используется до настоящеговремени. В стандарте САМАС фирмами различных стран разработано иэксплуатируется более 1500 функциональных модулей измерения и управления. САМАСне имеет собственных вычислительных средств, но может управляться практическиот любого компьютера, для чего в крейт Устанавливается соответствующийвыбранному компьютеру контроллер, а в сам компьютер должна быть установленасоответствующая плата адаптера, согласующая магистраль выбранного компьютера состандартной магистралью САМАС. В САМАС принята достаточно быстрая магистраль с24-разрядными шинами адреса, данных и тиной управления, со временем цикла помагистрали — 1 мкс (что эквивалентно скорости передачи данных по магистрали 16Мбит/с). Однако наличие между функциональными модулями и управляющимкомпьютером промежуточных устройств (контроллер — кабель связи-адаптер) делаетрезультирующее быстродействие системы не более одного Мбит/с.
Дальнейшимразвитием идеологии MMS, но на новой элементнойбазе более высокой степени интеграции являются системы VME (Versabus Module Europe-bus) и VXI (VMEbus extensions for Instrumentation). Кроме современной элементной базы,обеспечивающей более высокую функциональную насыщенность и быстродействие каждогомодуля, здесь следует выделить несколько принципиальных особенностей:
· Контроллер крейтастал интеллектуальным, что позволяет перенести программы управления модулями судаленного компьютера непосредственно в состав крейта, а это повышает общеебыстродействие системы практически на порядок. Кроме того, в ряде случаев(например, в некоторых контроллерах VXI) стали использоваться RISC-процессорыреального времени, что еще больше увеличивает быстродействие системы.
· В основе VXI лежит магистраль новой архитектуры,которая разрешает прямое обращение одного модуля к памяти другого и наоборот,что расширяет функциональные возможности системы, снижает количество ошибок исущественно повышает надежность и скорость работы. Итоговая скорость магистралиVXI достигает 360 Мбит/с.
· Большинствофункциональных модулей сами стали интеллектуальными за счет введения в ихсостав специализированных микроконтроллеров, что значительно улучшилофункциональные возможности таких модулей. Появился режим самодиагностики,автоматической коррекции нулевых сигналов, предварительное накопление иобработка данных, программное изменение параметров модуля, улучшилась процедураобмена данными с обшей магистралью и пр. Так, модули VXI имеют оперативную память до 64 Мбайт. Эта память можетбыть использована как для хранения экспериментальных данных, так и данных,характеризующих сложные сигналы управления. Кроме того, как уже говорилось,содержимое памяти каждого модуля может быть получено другим модулем дляобработки или иного использования с высокой скоростью магистрали.
Сравнительнонедавно появились компактные и высокоэффективные MMS разработки американской фирмы National Instruments для обслуживания объектов среднейсложности PXI (PCI extensions for Instrumentation) и SCXI (Signal Conditioning extensions for Instrumentation).
PXI представляетсобой магистрально-модульную систему на основе компьютерной магистрали PCI (Peripherial Computer Interconnect), скорость передачи информации покоторой составляет 132 Мбайт/с, дополненной линиями синхронизации модулей (10МГц) и линиями передачи аналоговых сигналов. Контроллер крейта выполнен поархитектуре управляющего компьютера с процессором Intel Pentium в том же конструктиве, что и модули, иустанавливается в крейт как один из модулей. Стандартная система PXI имеет 8 слотов расширения PCI, а с помощью мостов PCI — PCI количество подключаемых модулей может расширятьсяпрактически неограниченно. Ассортимент модулей повторяет типовой наборустройств ввода/вывода с добавлением высокоскоростных измерителей, модуляоцифровки изображения и других модулей, что позволяет реализовать на основе PXI достаточно эффективныеавтоматизированные системы средней сложности.
SCXI является ещеболее простой и компактной системой, которая, как и САМАС, не имеет собственныхвычислительных ресурсов, а подключается к внешнему управляющему компьютеручерез параллельный порт. SCXIпредставляет собой многоканальную систему согласования и ввода/вывода сигналовдля работы с Plugin-Card, PXI, VXI. SCXI может использоваться как дополнение кизмерительно-управляющим платам и модулям для согласования сигналов или каксамостоятельная законченная система ввода/вывода. SCXI- система состоит из одного или нескольких крейтов дляразмещения в каждом 4-х или 12-ти модулей разного функционального назначения.
Такимобразом, общим для всех MMSявляется объединение Функциональных модулей в едином каркасе общей магистралью,что обеспечивает их эффективное управление от главного модуля (контроллера),также устанавливаемого в общий крейт.
ДостоинствомMMS является возможность простогоконфигурирования и практически неограниченного наращивания автоматизированнойсистемы любой сложности за счет смены модулей и наращивания количества крейтов.Относительным недостатком MMSявляется их избыточность при использовании для автоматизации простых объектов.Системы VME,VXI, PXI, SCXI достаточно дорогостоящие ифункционально насыщенные. Каждая из этих систем помимо набора функциональныхмодулей измерения и управления в обязательном порядке содержит дополнительныеустройства, удорожающие эти системы:
· каркас (крейт) собщим для всех модулей блоком питания и системой вентиляции;
· общую для всехмодулей магистраль;
· контроллер (чащевсего интеллектуальный), обеспечивающий управление функциональными модулями по общеймагистрали и связь с управляющим компьютером.
Поэтомуприменение указанных систем автоматизации оправдано в сложных, многоканальныхэкспериментах, когда требуется высокая точность контроля параметров приповышенном быстродействии всей системы.
Измерительно-управляющиеплаты (Plugin-Card).
Идеяввода в состав персонального компьютера дополнительной платы управлениявнешними по отношению к нему устройствами вполне логична, поскольку подобнымиплатами исходно оснащен любой компьютер (платы управления монитором, внешниминакопителями, плата связи с сетью и т.д.). Более того, каждый компьютер имеетнесколько свободных мест (слотов) для установки подобных плат по желаниюпользователя.
Структурнои конструктивно каждая Plugin-Card содержит:
· функциональнуючасть в видеуниверсального набора устройств ввода/вывода цифровой, аналоговой и дискретнойинформации (входной аналоговый коммутатор, АЦП, ЦАП, программируемыйсчетчик/таймер, порты цифрового ввода/вывода и т.д.);
· интерфейснуючасть, обеспечивающуюинформационное и энергетическое согласование устройств функциональной части смагистралью компьютера;
· печатныйразъем, соответствующийтипу слота компьютера.
Данноенаправление развития базовых средств автоматизации постоянно совершенствуется.Появились Plugin-Card для различных классов компьютеров (IBM PC, PS2, Macintosh), платы с собственнымимикропроцессорными средствами обработки, быстрыми буферными накопителями типа FIFO (First Input-First Output) и т. д.,благодаря чему значительно расширились их функциональные возможности. Спектрвозможностей современных Plugin-Card значительно возрос и практическиприблизился к возможностям функциональных модулей таких систем, как VME,VXI, PXI, SCXI:
· входнойаналоговый коммутатор- 8...64 канала;
· АЦП — 8… 16разрядов при быстродействии до 5 Ms/c (для 12-разрядов);
· ЦАП — 8… 16разрядов при быстродействии до 1 Ms/c (для 12-разрядов);
· программируемыйсчетчик/таймер — 1… 8 каналов, с разрядностью 16...24;
· порты цифровоговвода/вывода — 8… 128 разрядов.
Основноепреимущество измерительно-управляющих подсистем на основе Plugin-Card состоит в том, что между обрабатывающим компьютером ифункциональными устройствами ввода/вывода информации отсутствуют промежуточныеустройства, поскольку Plugin-Card вставляют в свободные слоты компьютера.При этом основные измерительно-управляющие устройства Plugin-Cardоказываются расположенными непосредственно на шинах обрабатывающего процессора,им присваиваются соответствующие адреса одного из внешних устройств процессора,могут быть назначены необходимые приоритеты, что минимизирует все временныезадержки при измерении и управлении. Максимальная скорость обмена информациейдоходит до 132 Мбайт/с. Кроме того, отпадает необходимость в специальномкорпусе, блоке питания, системе охлаждения, поскольку все это уже есть вбазовом компьютере, что значительно упрощает и удешевляетизмерительно-управляющую подсистему в целом.
Однакоимеется недостаток, который следует учитывать при использовании Plugin-Card для аналогового управления быстродействующимиобъектами. Цифро-аналоговые преобразователи (в отличие от АЦП) на универсальныхплатах, как правило, не имеют выходного буфера, за исключением специализированныхкарт аналогового вывода и генераторов сигналов сложной формы, которые отличаютсявысокой стоимостью. Поэтому для реализации сложного алгоритма управленияобъектом каждое новое значение выходного аналогового сигнала по каждому каналунеобходимо рассчитывать в реальном времени, в связи с чем, скорость управленияобъектами ограничивается или становится в прямую зависимость отпроизводительности применяемого компьютера, вынужденного помимо задачуправления Выполнять параллельно и другие служебные функции. Так, проведенноетестирование показало, что для базового компьютера на основе процессора Intel Pentium 150 МГц максимальная частота генерирования выходногоаналогового сигнала не превышает 40 КГц, а для процессора Intel 486 Dx66 — не более 13 КГц.
Этасвязь становится еще более явной, если необходимо корректировать алгоритмуправления в зависимости от реакции объекта на управляющие воздействия. Длябыстродействующих объектов при сложных алгоритмах управления такую системупрактически невозможно реализовать именно потому, что современные компьютеры неуспевают произвести требуемые вычисления. Например, для реализации векторногоуправления асинхронным двигателем на частоте питания 50 Гц с просчетомположения вектора поля через 10 электрических градусов требуется компьютер спроизводительностью более 50 миллионов операций в секунду, что превышаетпроизводительность самых мощных на сегодняшний день общедоступных компьютеров.
Выходомиз подобной ситуации может служить использование параллельно с универсальнымиизмерительными платами специализированных плат аналогового вывода. Такие платыимеют выходной буфер и предназначены для генерации сигналов с частотойобновления до 300 КГц.
Такимобразом, можно определить основной перечень условий, при которыхисследовательское оборудование целесообразно строить па основеизмерительно-управляющих плат типа Plugin-Card:
· Небольшоеудаление объекта исследования от измерительною компьютера (1-2м). При большемудалении объекта исследования использование измерительных карт возможно, однакотребует применения дополнительных устройств — нормализаторов сигналов, фильтрови т. п. для устранения случайных помех и компенсации потерь в измерительныхканалах. Однако при работе на больших частотах полностью избавиться от помехпрактически невозможно.
· Реализуемостьзадач управления, которая определяется быстродействием системы, в которуювходит компьютер и измерительно-управляющая плата. Оценка реализуемости должнапроводиться в каждом конкретном случае. Если система не способна обеспечитьтребуемого быстродействия, необходимо или переходить на более быстродействующиесредства, или распределять вычислительные и измерительные задачи междунесколькими устройствами, т. е. использовать комбинированные системы.
· Персональныйкомпьютер имеет ограниченное количество слотов для подключения интерфейсныхплат. Если требуемое количество интерфейсных плат превышает количество слотовперсонального компьютера, необходимо использовать блоки расширения слотов илипереходить на магистрально-модульные системы.
Программируемыелогические контроллеры
Программируемыелогические контроллеры (PLC)представляют собою компактные измерительно-управляющие системы с заранеепрограммируемой логикой, выполненные на основе специальных интегральныхмикросхем повышенной степени интеграции (базовых микроконтроллеров). PLC содержат в одном кристалле как средстваобработки информации (микропроцессор с необходимым набором периферийныхустройств — ОЗУ, ПЗУ, порты ввода/вывода и пр.), так и средства измерения иуправления (АЦП, ЦАП, ШИМ, программируемые счетчики/таймеры, порты ввода/выводаи пр.)
Структураизмерительно-управляющей подсистемы на базе PLC отличается простотой конфигурации и компактностью.Обычно используют полностью законченные промышленные конфигурации, содержащиебазовый вычислительный модуль и набор типовых модулей ввода/вывода или такназываемые отладочные платы (kit).Эти платы содержат базовый комплект микроконтроллера с необходимыми внешнимиустройствами (ОЗУ, ПЗУ, порты ввода/вывода и т.д.), а также свободную частьмонтажной платы для реализации нестандартного дополнения по проекту разработчика.
Внастоящее время существует множество типов базовых микроконтроллеров различныхфирм (Intel, Motorola, Texas Instruments, Maxim, Philipsи т.д.), отличающихся как внутренней архитектурой, так и функциональнымназначением.
Наиболеераспространены микроконтроллеры на основе микропроцессора i80C51 фирмы Intel.В этом семействе особый интерес для создания PLC (для сравнительно простых объектов при хорошемсоотношении: цена/функциональные возможности) представляют микроконтроллерыРСВ80С552 фирмы Philips. Они имеютследующие базовые показатели:
· внешняя памятьпрограмм и данных до 64 кБ каждая;
· встроенный8-канальный 10-разрядный АЦП со временем собственного преобразования до 10 мкс;
· два каналаширотно-импульсной модуляции (ШИМ) с тактовой частотой 15 КГц для реализациичастотного управления;
· 8-разрядныйцифровой порт ввода/вывода;
· три встроенных16-разрядных таймера/счетчика;
· сторожевойтаймер, предназначенный для автоматического перезапуска системы в случае еезависания, например из-за кратковременного сбоя напряжения питания;
· последовательныйпорт, подключаемый по стандарту RS232/RS485 для реализации внешних связей сдругими микроконтроллерами или с базовым компьютером;
· последовательныйпорт шины I2С, позволяющий подключать кмикроконтроллеру дополнительные устройства (модули флэш-памяти, часы реальноговремени и т. п.) и соединять несколько микроконтроллеров в единую сеть для совместнойработы.
Крометого, функциональные возможности микроконтроллера легко развиваютсядополнительными устройствами, подключаемыми к нему по цифровой шинеадрес/данные. В качестве таких устройств могут быть использованы высокоточныеАЦП, ЦАП, счетчики, дополнительные преобразователи сигналов и т.п.
Прибольшом количестве разнообразных задач, возлагаемых на измерительно-управляющуюподсистему целесообразно распределять эти задачи между несколькимимикроконтроллерами в зависимости от их производительности. В этом случаемикроконтроллеры для совместной работы объединяются в сеть на основе стандарта RS-485 (при удалении на десятки и сотниметров) или на основе высокоскоростной шины ГС (при удалении микроконтроллеровне далее 1 м) При такой архитектуре обмен данными по сети осуществляется попринципу ведущий/ведомый, т. е. один из микроконтроллеров или главный компьютерберет на себя функции ведущего и осуществляет общее управление потоками данныхпо сети.
Взависимости от сложности решаемых задач следует выбирать микроконтроллерыразной архитектуры, начиная от простейших 8-разрядных до мощных 16-ти и32-разрядных.
Вслучаях, когда микроконтроллер должен не только производить измеренияпараметров, но и управлять объектом в зависимости, например, от частотногосостава замеренного параметра, т.е. производить некий сложный математическийанализ экспериментальных данных в реальном масштабе времени с минимальнымивременными задержками, требуется применять цифровые сигнальные процессоры (DSP), предназначенные для решенияподобных задач.
ИспользованиеPLC в качестве устройства сопряжения собъектом в сложных измерительно-управляющих подсистемах позволяет значительноразгрузить главный компьютер от таких рутинных операций как сбор и накоплениеданных, их предварительная обработка, управление объектом исследования ивспомогательными устройствами.
Микроконтроллерныесистемы, как правило, используются в тех случаях, когда не требуется высокаяскорость сбора небольшого объема данных и несложных алгоритмах предварительнойобработки данных.
Комбинированныемногоуровневые иерархические системы
Практикаработы с автоматизированными измерительно-управляющими системами показывает,что добиться оптимального соотношения стоимости и функциональных возможностейпри использовании только одной конкретной системы практически невозможно.
Приработе с реальными физическими объектами средней и высокой сложности (например,объединение нескольких разнородных устройств в действующую систему) спектрзадач измерения и управления слишком разнообразен. Наряду с задачамивысокоточного и быстрого контроля ряда параметров возникают задачи простоговключения/отключения какого-либо элемента или технологического оборудования спрограммно-изменяемой частотой. Тратить на это вычислительные ресурсы главногоуправляющего компьютера было бы нерационально. Отсюда возникает стратегияиспользования комбинированных средств и разумного разделения между нимиимеющихся вычислительных ресурсов.
Например,при создании лабораторного оборудования, не требующего в процессе работыгромоздких промежуточных вычислений, но предполагающего наличие независимыхканалов управления и точных измерений, вместо систем на базе VXI или PXI может быть использована комбинированная система,построенная на сочетании одного или нескольких PLC и одной или несколькими Plugin-Card.
В такойкомбинированной системе Plugin-Card могут выполнять функции измеренияпараметров, критичных к времени и синхронизации, например, когда требуетсяполучить осциллограмму сигнала сложной формы с высоким разрешением. При этом PLC, используя свои вычислительныересурсы, выполняет задачи управления различными устройствами, а также можетизмерять медленноменяющиеся параметры, например, температуру, перемещения и т.д.
Подобныекомбинированные системы сочетают в себе требуемую функциональность призначительно более низкой стоимости по сравнению с системами на основе VXI или PXI.
В целомже, как показывает опыт разработки автоматизированных курсов, для объектовповышенной сложности наиболее эффективны комбинированные системы стрехуровневым иерархическим распределением вычислительных ресурсов.
Наобъектном уровне, какправило, целесообразно использовать мультипроцессорные подсистемы, вычислительныересурсы которых (разрядность, быстродействие, объем памяти) необходимо выбиратьв зависимости от сложности решаемых задач. Здесь следует настойчиворекомендовать не экономить в малом, не перегружать микроконтроллер несколькимизадачами (даже, если его ресурсы не исчерпаны), а каждую задачу поручатьотдельному микроконтроллеру, разработав для него оптимальную программу управления.При таком подходе каждый значимый узел объекта (датчик или группа датчиков,регулятор, преобразователь, нагрузка и т. д.), снабженный отдельныммикроконтроллером, становится „информационно прозрачным“ и»абсолютно управляемым", что очень важно в системах удаленногодоступа. Обмен информацией между такими интеллектуальными устройствами, а такжекаждого из них с управляющим компьютером осуществляется по сетевым каналам.
Напромежуточном уровне должныразмещаться сервисные вычислительные средства, обеспечивающие обслуживание, содной стороны, вычислительных средств объекта (передача данных, пересылкакоманд на изменение режимов работы оборудования), а, с другой стороны, — запросов удаленных пользователей. Эти достаточно сложные функции возлагаются насервер комплекса, вычислительные ресурсы которого выбираются в зависимостиот решаемых задач. Для реализации связи сервера комплекса с удаленнымипользователями в его составе должна быть одна из типовых плат сетевого обмена,а для связи с вычислительными средствами объекта, например, адаптер последовательногоинтерфейса (обычно это преобразователь RS-485/RS-232).
Напользовательском уровне по возможности должны находиться современные компьютеры класса не ниже Pentium-100 с объемом ОЗУ не менее 16 Мб, сграфическим разрешением мониторов не менее 800x600, 256 цветов. Такие относительновысокие требования объясняются тем, что при разработке программно-методическогообеспечения автоматизированных курсов используются современные достижениякомпьютерных технологий: цвет, звук, трехмерная графика, анимация, без чегоэффективность процесса обучения была бы не столь высока. 6.5 Средства разработкипрограммно-методического обеспечения
Ведущиефирмы в области информационно-измерительных и управляющих технологий (Hewlett Packard, National Instruments и др.)производят комплектные системы, включающие как аппаратные средствасопряжения с объектом, так и все необходимое программное обеспечение ихподдержки. Сюда входят драйверы управления аппаратными средствами, программыдля создания пользовательских интерфейсов, программное обеспечениематематической обработки результатов исследования и пр.
Однакоспектр задач, возникающих при создании автоматизированных учебных курсов,значительно шире только измерения параметров и управления объектами. Так, методическоеобеспечение комплекса должно содержать полную совокупность средств,необходимых и достаточных для его использования в решении задач исследования иобучения:
· информационно-справочныеданные для изучения теоретических основ исследуемых физических процессов,базирующиеся на применении различных форм представления учебной информации,включая приемы гипертекстового и полиэкранного структурирования, анимационногоизображения изучаемых объектов и процессов для активизации формирования знанийи навыков обучающихся;
· программыимитационного компьютерного моделирования динамических процессов в сложныхтехнических системах и их компонентах;
· средстваподготовки и проведения натурных исследований сложных технических систем и ихкомпонентов в режиме удаленного доступа;
· средстваобработки и анализа экспериментальных данных для практической проверкиадекватности применяемых математических моделей;
Необходимойсоставляющей частью этой подсистемы является подборка из нескольких десятковконтрольных вопросов и задач по каждому тематическому разделу изучаемого курса.
Банк заданий на проведение учебных исследованийдолжен быть Разработан таким образом, чтобы индивидуализировать выдаваемыезадания и всесторонне охватить выполняемыми исследованиями основные проблемы,характеризующие конкретное тематическое направление. Оперативность получениянеобходимых экспериментальных данных позволяет формировать учебные заданияпоискового характера.
Всоответствии с изложенными положениями средства программного обеспечения должнывключать в свой состав ряд компонентов, выполняющих различные функции:
· ПО объектногоуровня должносодержать набор программ-драйверов управления стандартными и специальноразработанными средствами обмена информацией между компонентами автоматизированногостенда.
· ПОкомпьютера-сервера предназначенодля реализации дистанционного обмена информацией между аппаратными средствамиавтоматизированных лабораторных стендов и рабочими местами пользователей идолжно выбираться таким образом, чтобы обеспечить работу технических средствтелекоммуникации и, в частности, поддерживать протокол сетевого обмена ТСРЛР.
· ПО рабочихмест пользователей выполняетнесколько функций, для реализации которых целесообразно применятьсоответствующие инструментальные программные средства.
Основнаячасть ПО рабочего места пользователя может быть создана, например, сприменением инструментальной системы прикладных программ LabWindows/CVI фирмы National Instruments (США).Данная система содержит встроенные средства связи с объектами исследования вреальном масштабе времени, а также средства разработки удобных пользовательскихинтерфейсов. Эти возможности обеспечиваются применением развитой библиотекипримитивов и достаточно полной, легко подключаемой библиотеки математическойобработки результатов экспериментальных исследований, включающей программныемодули полиномиальной и сплайн интерполяции, цифровой фильтрации, спектральногои корреляционного анализа и т.д.
Значительныепотенциальные возможности имеют также современные объектно-ориентированныесистемы программирования, например, Borland C++ в совокупности с библиотеками объектов.
Очевидно,что осуществить выполнение требований, предъявляемых к программному обеспечениювсех уровней, с помощью какой-либо единой системы разработки невозможно.Необходимо применение различных средств разработки программного обеспечения попринципу соответствия их возможностей задачам разработки различных подсистемпрограммного обеспечения исследовательского оборудования нового поколения.
Подавляющеебольшинство современных средств разработки программного обеспечения можноусловно разделить на следующие группы:
· средстванизкоуровневого программирования, основанные на языках программирования«Ассемблер» и «Си»;
· средствавизуального программирования, основанные на стандартах языков программированиявысокого уровня, например, Си или Паскаль — National Instruments LabWindows/CVI и т.п.;
· средстваобъектно-ориентированного программирования (ООП) — Microsoft Visual Basic, Microsoft Visual C++, Borland C++, Watcom C++ и др.;
· средствавизуального программирования, основанные на ООП — Borland Delphi (язык Паскаль), Borland C++ Builder;
· средстваграфического программирования — National Instruments LabView, LookOut и BridgeView.
Разделениесредств, в основе своей использующих ООП, на две группы довольно условно — всеони, в принципе, являются визуальными средствами программирования. Однако Delphi и C++ Builder обладают большим набором средств для созданияразвитого интерфейса пользователя, стыковки с базами данных и т.п., практическине требующих неавтоматизированного программирования.Средства программирования низкого уровня
Средствапрограммирования низкого уровня («Ассемблер», Си и Паскаль) являютсяосновным инструментом создания оптимальных по времени исполнения и надежностипрограмм для микропроцессорных устройств, применяемых визмерительно-управляющей подсистеме исследовательского оборудования.
Использование языкапрограммирования Си существенно облегчает включение в программное обеспечениематематических действий над числами с плавающей точкой, дополнительныхматематических операций, вплоть до некоторых функций анализа данных. Однако приэтом становится неопределенным время исполнения программы, которое определяетсякачеством работы кросс-транслятора, тогда как время исполнения программы,написанной на ассемблере, легко определяется.
Поэтомужелательно комбинированное использование этих двух языков программирования приразработке ПО микропроцессорных устройств: Си — для общей программы, сосложными алгоритмами и вычислениями, Ассемблер — для частей программы, времяисполнения которых должно быть строго определено.Программная система LabWindows/CVI
Программнаясреда LabWindows/CVI американской фирмы National Instruments представляет собой системувизуального программирования, основанную на языке программирования ANSI С, то есть на стандартном языке Си,без расширений ООП и C++.
LabWindows/CVI отличается присущими всем визуальнымсредствам программирования простотой и быстротой создания программ с развитыминтерфейсом пользователя, а также большой библиотекой математическихинструментов обработки цифровых данных. При этом поддерживается практическивесь спектр оборудования, выпускаемого фирмой National Instruments и рядом других фирм, для цифровыхизмерений — встраиваемых измерительных карт, измерительных и управляющихмодулей SCXI, VXI и PXI,промышленных микроконтроллеров.
Крометого, в составе LabWindows/CVI есть инструментальные средства дляработы с сетевым протоколом TCP/IP и для использования функций API (Application Programming Interface) — основы операционных систем классаWindows.
Отличительнойособенностью LabWindows/CVI и созданного им программного обеспечения является ихработа на основе так называемого Runtime-engine, который является прослойкой междупрограммой и операционной системой и осуществляет управление ее исполнением,координацию обмена данными и системными сообщениями программы с операционнойсистемой. Это существенно увеличивает необходимые для нормальногофункционирования программы ресурсы компьютера и замедляет ее работу. Такойспособ организации работы прикладных программ существенно ограничиваетприменение LabWindows/CVI при разработке программного обеспеченияисследовательского оборудования нового поколения из-за возможного повышениясистемных требований к необходимому для нормальной работы программыкомпьютерному оборудованию.
Крометого, отсутствие механизмов ООП значительно ограничивает функциональные возможностипрограмм, созданных на LabWindows/CVI, или существенно увеличивает время,необходимое на их разработку.
Поэтомуиспользование LabWindows/CVI для создания программного обеспеченияисследовательского оборудования возможно для решения несложных задач, нетребующих высокой скорости исполнения или серьезного математического аппарата.Средства объектно-ориентированного программирования
Средстваобъектно-ориентированного программирования (ООП), такие как Microsoft Visual C++, BorlandC++, Watcom C++ — являются основными средствамипрограммирования в операционных средах семейства Microsoft Windows и применяются при создании программного обеспечения,к которому предъявляются требования высокой надежности и скорости работы приминимальных требуемых вычислительных ресурсах. Это в большей мере виртуальныедрайверы устройств для самой операционной системы, служебные программы,программы для работы с сетью, мощные программные комплексы, например, Microsoft Word. Каждая из перечисленных сред разработки программногообеспечения обладает своими достоинствами и недостатками, но, в общем, все онипрактически идентичны в функциональном плане. Различия сводятся к оптимальностиготового кода программ, скорости его работы, но они незначительны.
Однаковсе перечисленные средства ООП обладают существенным недостатком — они слабоприспособлены для разработки программного обеспечения с развитым интерфейсомпользователя. В них имеется некоторый набор стандартных элементов, таких каккнопки, текстовые поля, таблицы и т.п., но этот набор незначителен и пригодендля создания интерфейса, присущего системному программному обеспечению. Вописываемых средствах, конечно, можно создать программу с любым по своейсложности интерфейсом пользователя, насыщенным графикой и удобными элементами,но на создание такой программы уйдет значительно больше времени.
Такимобразом, средства объектно-ориентированного программирования при разработкепрограммного обеспечения исследовательского оборудования целесообразноиспользовать при создании наиболее важных частей программного обеспечения —серверов, модулей для работы в сети и т.п., не требующих развитого интерфейсапользователя.Средства визуального программирования, основанные наООП
Средствавизуального программирования, основанные на ООП, Borland Delphi, BorlandC++ Builder — функционально ничем не уступаютсредствам, описанным выше. Но создание программ с помощью этих системпрограммирования занимает значительно меньше времени, чем, например, в Microsoft Visual C++. Это достигается благодаря наличию большого числакомпонентов, начиная с простейших кнопок, и заканчивая компонентами для работыссетью или каким-либо оборудованием. Однако механизм разработкипрограммного обеспечения на основе компонентов влечет за собой неоптимальностьисполняемой программы, вследствие чего она работает медленнее и требует большересурсов, чем такая же программа, написанная, например, на Microsoft Visual C++ или Borland C++.
Кпреимуществам Delphi и C++ Builder следует также отнести простоту работы с базами данныхблагодаря наличию специальных компонентов.
Богатыевозможности Delphi и C++ Builder легко развиваются подключением других библиотеккомпонентов. В настоящее время существует множество различных библиотек дляэтих сред программирования, начиная от библиотек визуальных компонентов домощных библиотек математического анализа. Особенный интерес при разработкепрограммного обеспечения исследовательского оборудования представляетбиблиотека Component Works, разработанная американской фирмой National Instruments. Эта библиотека функциональноповторяет библиотеку инструментов других продуктов этой компании — LabWindows/CVI и LabView,существенно расширяя спектр возможностей программ, созданных на Delphi или на C++ Builder.
Такимобразом, средства визуального программирования, основанные на ООП — Borland Delphi и C++ Builder,благодаря скорости разработки программ и функциональным возможностям наиболеепривлекательны для использования при разработке программного обеспеченияисследовательского оборудования нового поколения практически в любой его части,а особенно в части программного обеспечения высшего уровня. Использование этихсредств возможно и при разработке ответственных частей программногообеспечения, таких как программное обеспечение серверов, модули работы с сетьюили модули управления оборудованием благодаря как возможности использованияфункций API в составе программы, так ивозможностью написания программы с применением только функций API.Средства графического программирования
Средстваграфического программирования занимают особое место в ряду средств разработкипрограммного обеспечения. Для разработки программы с помощью средствграфического программирования кроме некоторых навыков, как правило, не надознать языков программирования, владеть методикой программирования в среде Windows и т. д. Все программированиепроизводится на уровне структуры и алгоритма программы.
Изначальносредства графического программирования были предназначены для упрощения доступаинженеров и научных работников, не знакомых с программированием, к разработкесистем автоматизации. В основном, имелось в виду программное обеспечение дляуправления измерительным оборудованием и обработки результатов измерений. Нопостепенно развитие графических средств программирования позволило существеннорасширить сферу их применения вплоть до разработки программ мониторинга иуправления производством или технологическими процессами. Особого прогресса вданной области добилась фирма National Instruments. Еепродукты LabView, LookOut и BridgeView следует рассмотреть отдельно.
LookOutпредставляетсобой систему мониторинга и управления технологическими процессами: работа вреальном времени, поддержка большого количества стандартных измерительных иуправляющих устройств, несколько уровней секретности и объявления нештатныхситуаций. Программная система в LookOutстроится по принципу логической схемы, что оптимально для технологическогопроцесса и абсолютно не приемлемо для более сложных задач (например, научныхисследований), так как не позволяет строить сложные алгоритмы управленияразличными устройствами, осуществлять серьезную математическую обработку данныхи многое другое. Поэтому для разработки программного обеспеченияисследовательского оборудования LookOutнепригоден.
LabViewфункциональноничем не уступает другим продуктам National Instruments (LabWindows/CVI или Component Works). LabView содержит подобные инструменты длясоздания интерфейса пользователя, работы с измерительным и управляющимоборудованием, математической обработки данных, работы в сети и т. д. К LabView также можно подключать программныемодули, созданные в Других средах программирования, например, C++ или LabWindows/CVI. Программирование в LabView ведется на уровне Диаграмм. Диаграммы в LabView — это схемы алгоритмов. Основныеэлементы «алгоритмического языка» Lab View практически повторяют основные конструкции языкапрограммирования Си.
Приналичии определенных навыков создание достаточно сложной программы на LabView занимает у разработчика временипримерно на два порядка меньше, чем разработка такой же программы, например, наC++. Однако, основу LabView составляетruntime-engine, подобный аналогичному средству в LabWindows/CVI. Но в LabViewоно выполняет значительно больше задач, благодаря чему LabView является практически самой быстрой и самой надежнойсистемой в своем классе.
Однако LabView при всей своей привлекательностипредназначена для создания небольших измерительно-управляющих систем,работающих в реальном времени, и не предназначена для разработки мощных,развитых программных комплексов, а тем более системного программногообеспечения, так как для этого LabViewслишком громоздкая и медленная система. При создании подобных систем LabView будет проигрывать программам,созданным на C++, как по скорости работы, так и по необходимым компьютернымресурсам. Поэтому LabView неподходит для создания программного обеспечения исследовательского оборудования.
BridgeViewпредставляетсобой построенную на основе LabViewсистему управления предприятиями и технологическими процессами с элементами разграничениядоступа и системы предупреждений, заимствованных из LookOut, и ее использование при создании программногообеспечения для исследовательского оборудования также нецелесообразно.
Операционныесистемы
Операционныесистемы разделяют надва основных класса: ОС общего назначения и ОС реального времени (ОС РВ), хотяв последнее время границы между ними заметно стираются — многие задачиреального времени успешно решаются современными версиями систем общего назначения.
Операционныесистемы общего назначения… Применительно к задачам автоматизации наиболее популярнытакие ОС как Windows 3.1/95/NT, HP-UX, Solaris, MacOS,UNIX. Все они являются многозадачнымисистемами и, в основном, используются в решении задач автоматизации сцентрализованным управлением, когда в системе имеется конкретная управляющаяЭВМ. Для ОС общего назначения характерна единая среда, используемая как дляразработки прикладных программ, так и для их исполнения. Операционные системыобщего назначения по сравнению с ОС РВ дешевле, проще в использовании и отладкеприложений.
Операционныесистемы реального времени. Основными преимуществами систем реального времени по сравнению с ОСобщего назначения являются:
· гарантированноевремя реакции системы на запросы и прерывания от внешних устройств привозникновении непредвиденных ситуаций;
· разделение средыразработки прикладного ПО и среды его исполнения.
ОС РВпредназначены, как правило, для применения в распределенных многопроцессорныхсистемах с децентрализованным управлением, поэтому они дороже и сложнее виспользовании. Среди наиболее известных ОС РВ можно назвать следующие системы: OS-9/OS-9000, VxWorks,LynxOS, VMEexec.Средства разработки баз и хранилищ данных
Внастоящее время особенно остро ощущается потребность в информационной поддержкеобразовательного процесса. Для этого необходимо создание и внедрение обширныхраспределенных баз и хранилищ данных как основы такого информационногообеспечения. Внедрение такой системы кроме количественного роста объемадоступной информации позволяет решить следующие задачи, стоящие передобразовательными учреждениями:
· активизациясамостоятельной работы студентов;
· интенсификация ииндивидуализация обучения;
· унификацияаттестационных требований по дисциплинам на основе государственныхобразовательных стандартов;
· объективизацияоценки эффективности профессиональной деятельности преподавателей;
· проведениевнутривузовских аттестаций по отдельным элементам образовательных программ;
· организацияобучения и аттестации для различных форм образования.
Анализ требований,предъявляемых образовательными учреждениями к создаваемым распределенным базами хранилищам данных, показал, что такая база должна быть универсальной имасштабируемой. Кроме того, она должна точно соответствовать своему назначению,иметь понятный интерфейс для пользователей всех уровней, обеспечивать широкуюдоступность к информации, при одновременном усилении защиты конфиденциальнойинформации, максимально использовать имеющиеся технические средства.
Созданиесистемы, удовлетворяющей таким жестким требованиям, возможно только привнедрении новейших технологий разработки. В настоящее время активно развиваютсянаправления создания традиционных клиент-серверных баз данных, использующих дляобмена данными Интернет и локальные сети, и баз данных, использующих собственноИнтернет-технологии для обмена данными.
Длясоздания современных баз данных широко используются и могут быть рекомендованык применению системы Быстрой Разработки Приложений (RAD), позволяющие вести разработку средств поэтапно, накаждом этапе предъявляя пользователю для согласования результаты работы. Ктаким системам относятся широко распространенные Delphi, C++ Builder,PowerBuilder, а также пока не так широкораспространенные специализированные системы RAD типа системы JAM фирмы JYACC(США). Для создания Web—ориентированныхбаз данных существуют собственные средства разработки, такие как WebSpeed 2.x фирмы Progress Software, Baiconur Web Application Server, Jbuilder Client-Server Edition, Symantec Visual Cafe Database Engine и др.
Независимоот используемого средства создания распределенной базы данных, сложностьразработки такой системы вызывает необходимость применения специальныхпрограммных средств для описания структуры проектируемой системы. Использованиетаких программных средств позволяет создавать детальные описания проектируемыхсистем, что значительно снижает трудоемкость создания за счет исключенияситуаций, когда программно реализуется система, отличающаяся от требуемой из-заошибок в описании структуры. К таким средствам относятся система Silverrun и другие системы, реализующиеметодику описания сложных распределенных систем DATARUN.
В целомиспользование таких систем позволяет в короткие сроки создать действующуюсистему, которая будет совершенствоваться в процессе эксплуатации с учетомновых требований и выявленных недостатков. Возможность развития, заложенная настадии проектирования, позволит такой системе долгое время выполнять требуемыефункции с максимальной эффективностью.