ИНТЕРАКТИВНАЯ ОБЪЕКТИВНО-ОРИЕНТИРОВАННАЯ СРЕДА ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ОБРАЗОВАНИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ
И.С.Кабак, Б.М.Позднеев (Москва, МГГУ "Станкин")

        В последнее время во всем мире все большее развитие получает дистанционное образование. Проблема получения полноценного образования по месту жительства актуальна и у нас. Современные Internet-технологии решают
ряд проблем, стоящих перед дистанционным образованием, таких как надежная и эффективная передача текстовой, аудио- и видеоинформации, что составляет основу любого дистанционного курса лекций. Имеющиеся технологии видеоконференций создают иллюзию непосредственного общения учителя и ученика, обеспечивая консультации и устную сдачу экзамена или даже защиту квалификационной работы.
        Для создания условий полноценной учебы, однако, недостаточно всего вышеперечисленного. Необходимо развитие определенных практических навыков. При традиционном подходе в учебные курсы вводятся лабораторные работы, где учащиеся на конкретном оборудовании приобретают такие навыки.
        Все чаще при изучении классических дисциплин (например, физики) и общетехнических дисциплин (теоретическая механика) вместо работы с физическими объектами используется компыотерное имитационное моделирование, что, в принципе, вполне приемлемо для дистанционного образования.
        Стоимость разработки имитационной модели объекта зависит от степени упрощения, абстракции. Чем более абстрактен объект, тем проще его моделирование. Чем ближе объект к реальному, тем больше его особенностей нужно учитывать в модели, тем выше стоимость модели. В классических дисциплинах иллюстрируются фундаментальные закономерности, которые, как правило, достаточно просты и хорошо исследованы. В этом случае стоимость моделирования невысока. То же, хотя и в меньшей степени, можно сказать и об общетехнических дисциплинах.
        Отметим еще одну существенную особенность вышеупомянутых дисциплин - количество специальностей, для которых они обязательны, велико. Следовательно, каждой такой учебной имитационной моделью воспользуется большое количество учащихся, так что удельная стоимость в расчете на одного учащегося будет небольшой.
        Совсем иная ситуация с курсами специальных дисциплин, особенно в машиностроении. Можно отметить три основных отличия:

  • сложность моделей. Специальные дисциплины рассматривают конкретные конструкции, конкретные технологии. Степень абстракции при их моделировании обычно гораздо меньше, а сами объекты - сложнее. Трудно сравнить моделирование силы тяжести или электрического тока в цепи с моделированием изделия машиностроения, например, самолета. Высокая сложность моделей соответственно сказывается на их стоимости.
  • степень охвата курса. Специальные дисциплины изучаются сравнительно небольшим количеством учащихся. Некоторые из них связаны даже не с конкретной специальностью, а со специализацией. В технических университетах имеются дисциплины, которые читаются для одной группы, то есть потребность составляет 15-20 студентов в год.
  • обновление курсов. В отличие от классических и общетехнических дисциплин, специальные дисциплины связаны с современными, быстро изменяющимися технологиями и оборудованием. Быстрота смены технологий бывает иногда потрясающей. Так в компьютерной технике и программировании возможно появление нескольких новых базовых технологий в течение года. В течение нескольких лет курсы стареют и требуют их переработки для нового оборудования, что влечет существенное изменение моделей.

        Для того, чтобы можно было использовать виртуальные лабораторные работы для специальных дисциплин в машиностроении, необходимо:
  • существенно снизить трудоемкость и время разработки курсов;
  • повысить гибкость моделей, обеспечив легкое внесение изменений в программное обеспечение моделей;
  • модели должны функционировать на достаточно широком спектре компьютерной техники, на различных разновидностях компьютеров, то есть быть мобильными.

        В некоторых работах проведен анализ требований к программному обеспечению систем управления производственными объектами. Несмотря на различие предметных областей, требования, предъявленные к программному обеспечению, во многом совпадают.
        Основой подхода является специальная операционная среда, обеспечивая функционирование программ, разработанных на интерактивном свободно расширяемом языке. Среда построена таким образом, что ее основные модули реализуют три основные задачи:
  • интерпретацию программы на вышеупомянутом языке;
  • создание, завершение, управление и диспетчирование большого количества параллельных процессов, реализующих алгоритмы подзадач и методы классов ООП;
  • создание, завершение и управление объектами данных в интерактивном режиме выполнения.

        Рассматриваемый язык полностью базируется на технологии и идеологии объектно-ориентированного программирования (ООП), однако способ его реализации отличается от традиционного для большинства языков ООП. Хотя язык допускает компиляцию программы, изначально он ориентирован на интерпретацию программ. Собственно, что реализация технологии объектно-ориентированного программирования осуществляется средствами операционной среды, в основном, за счет ее многопроцессности, когда методы каждого класса данных образуют собственный процесс. Свойство наследования в этом случае реализуются обращением к процессу-предку. Свойство инкапсуляции базируется на связи области данных, выделяемой при создании каждому объекту и связи этой области с конкретным процессом, выполняющим методы соответствующего класса данных. И, наконец, свойство полиморфизма обеспечивасгся специальным модулем диспетчера процессов операционной оболочки, который при.наличии нескольких одноименных методов для объекта будет применять наиболее поздний метод, соответствующий данному классу.
        Разработка виртуальной лабораторной среды для дистанционного оборудования, т.е. лабораторные работы, где имитируется оборудование, могла бы состоять из нескольких отдельных частей:
  • создание высокомобильной операционной среды, отвечающей критериям интерактивности, расширяемости и объектной ориентированности;
  • создание библиотек классов, описывающих основные элементы конструкций и технологий машиностроения. Эги элементы являются базовыми блоками, из которых могут быть построены различные известные изделия;
  • компоновка базовых блоков из библиотек классов в образы типовых изделий. По своей сути образ является моделью реально существующего объекта, то есгь виртуальной конструкцией или виртуальной технологией.

        Отметим некоторые особенности данного подхода.
        Во-первых, часто одним из базовых блоков является программное обеспечение. Если имеется вариант программного обеспечения для используемой вычислительной среды, и сложность реального программного обеспечения приемлема, то вместо его моделирования может использоваться программный продукт. Вопросы лицензирования должны быть корректно решены.
        Для такого использования программ ОС должна реализовать процесс эмуляции некоторых распространенных вычислительных сред как один из своих текущих параллельных процессов. Такое возможно только при наличии достаточно мощной аппаратной среды, какая редко бывает у учащегося при дистанционном образовании. Поэтому, часто, и в случае программного обеспечения лучше использовать упрощенные алгоритмы и модели.
        Во-вторых, заметим, что одному физическому базовому элементу может соответствовать несколько виртуальных базовых элементов.
        Рассмотрим для примера закон Ома. При моделировании прохождения тока по проводнику для постоянного тока или переменного тока низкой частоты мы можем рассматривать только активное сопротивление - это одна модель.
        С увеличением частоты начинает сказываться реактивное сопротивление. В этом случае сила тока с учетом общего сопротивления подчиняегся другой модели.
        И, наконец, когда рассматриваются токи СВЧ, начинает действовать скин-эффект, т.е. ток будет идти только в узком поверхностном слое. Эго третья модель.
        Конечно, можно построить модель, учитывающую все три случая. Однако вряд ли это целесообразно для сравнительно простых двух первых случаев. Гораздо удобнее иметь набор моделей объектов, то есть для одного реального базового элемента допустить возможность нескольких виртуальных.
        Принципы ООП позволяют легко и быстро заменить один виртуальный объект другим с тем же именем. Замена виртуального базового элемента одноименным для пользователя будет внешне незаметна (за исключением того, что реализуется другая модель).
        В-третьих, реализация подхода связана с большими вычислительными затратами. Моделирование вообще, и тем более моделирование с использованием ООП, требует больших аппаратных ресурсов, в первую очередь быстрого процессора, большой оперативной памяти и многозадачной операционной системы.
        Трудно предположить, что многие из оконечных пользователей имеют такие ресурсы. Для того, чтобы система могла работать в условиях нашей страны, где оконечные пользователи не имеют мощной вычислительной техники, целесообразно применить технологию клиент-сервер.
        Клиентское программное обеспечение находится у оконечного пользователя, т.е. учащегося. Это обеспечение не осуществляет моделирование, а только отображает его результаты на экране монитора, принимает исходные данные и осуществляет передачу информации по сети Internet на сервер.
        К клиентскому программному обеспечению предъявляются жесткие требования по мобильности, т.е. оно должно функционировать в любой возможной вычислительной среде.
        Ранее отмечалось, что для дистанционного образования наиболее подходит Internet, в том числе и развитостью своих технологий. Одной из наиболее распространенных в настоящее время технологий является гипертекст, т.е. текст, включающий в себя ссылки на другой текст, аудио- и видеоинформацию и т.п., в том числе и на программы, написанные на языке JAVA. Для просмотра гипертекста используются специальные программы просмотра - браузеры, причем наиболее распространенные среди них MS Internet Explorer и Netscape Navigator старших версий обеспечивают выполнение JAVA-апплетов.
        Разработка клиентского программного обеспечения в виде JAVA-апплетов позволяет его использовать на практически любой допустимой вычислительной технике, от небольших ПК до рабочих станций и майнфреймов.
        Вся тяжесть моделирования ложится на серверы. Поэтому для серверов возможно применение только мощной компьютерной техники с большой оперативной памятью. Серверы устанавливаются либо в центрах дистанционного образования, либо в некоторых опорных точках на периферии.