Концепция построения интегрированных комплексов сетевых автоматизированных лабораторий

Современные экономические условия, стремительное развитие вычислительной техники и информационных технологий предъявляют к выпускникам вузов наряду с высокой теоретической подготовкой требование высокого уровня практических навыков, хорошего знания инновационных технологий, физических процессов и реальных объектов, применяемых в соответствующей отрасли. В связи с этим при профессиональной подготовке специалистов в вузе особое значение приобретают практические составляющие обучения, т.е. выработка и закрепление устойчивых умений и навыков, связанных с профессиональной деятельностью в условиях развитых компьютерных технологий и автоматизации большинства сфер человеческой деятельности.

Существующие подходы к проведению лабораторных занятий в соответствии с государственным образовательным стандартом (ГОС) при использовании различных экспериментальных объектов и технических средств приводят к необходимости применения большого количества дорогостоящего оборудования и использования значительных площадей при их малой эффективности и загрузке. Поэтому возникает проблема выбора такого методологического подхода и создания такого программно-технического комплекса, который сочетал бы в себе одновременно универсальность ЭВМ, отражал специфику объектов исследования и сохранял их наглядность и физическую природу. С целью решения

Прошина Раиса Дмитриевна, старший преподаватель кафедры «Автоматизация и управление»

указанной проблемы на кафедре «Автоматизация и управление» Пензенской государственной технологической академии разработана концепция интегрированных комплексов сетевых автоматизированных лабораторий с использованием виртуально-физической среды, которая и рассматривается в данной работе [1].

Решаемые проблемы. Разработка интегрированного комплекса сетевых автоматизированных лабораторий направлена на решение следующих проблем.

• 1.    Создание единой целостной среды обучения студентов, аспирантов, соискателей, повышения квалификации специалистов по всем дисциплинам специальности или комплекса специальностей вуза, объединения вузов, системы образования в целом.

• 2.    Построение обучения на основе сбалансированного сочетания теоретического обучения с практическими и лабораторными занятиями, производственными практиками, научноисследовательскими работами студентов (НИРС), имеющими творческую направленность.

• 3.    Обеспечение обучения в условиях близких к условиям работы специалистов на производстве с возможностью использования текущей и накопленной информации о функционировании реальных производственных объектов.

• 4.    Создание гибкой среды и условий проведения научных исследований и обучения студентов, соответствующих современному уровню развития промышленности и отражающих опыт внедрения инновационных технологий.

Предлагаемая концепция. Суть концепции интегрированных комплексов сетевых автоматизированных лабораторий состоит в интеграции всех видов учебных занятий, тренажа и научной деятельности по всем дисциплинам специальностей вуза в единый универсальный интегрированный комплекс сетевых автоматизированных лабораторий (ИКСАЛ), сочетающий в себе методы и методики автоматизированного исследования в виртуально-физической среде физических многофункциональных объектов (МОИ), технических сред-ств автоматизации, программно-технических комплексов и их математических моделей, в целом интегрированных автоматизированных систем управления, объединяющих автоматизированные системы управления технологическими (АСУТП) и производственными процессами (АСУП). Профессиональная подготовка строится на основе получения знаний через научную, а умений и навыков - через практическую деятельность, следуя принципу «исследуя - обучай». За основу приняты принципы инновационного образования: развитие инновационного образования с использованием междисциплинарных, проблемно-ориентированных технологий, использование в образовательном процессе инновационных и информационных технологий, интеграция научной, образовательной, производственной и инновационной деятельности. Реализация предлагаемой концепции обеспечивается посредством создания учебно-научно-иннова-ционного производственного комплекса - интегрированного комплекса сетевых автоматизированных лабораторий (рис. 1).

Рис. 1. Интегрированный комплекс сетевых автоматизированных лабораторий

Определение предлагаемого концептуального подхода к построению научноисследовательской и лабораторной базы в вузе связывает следующую совокупность понятий.

Интеграция. Интеграционные особенности предлагаемой концепции проявляются на нескольких ступенях и уровнях.

Первая ступень - это интеграция научной, образовательной, производственной и инновационной деятельности - объединение всех видов занятий и научноисследовательских работ (НИР), проводимых в вузе, интеграция всех дисциплин специальностей в единую целостную систему с последующей интеграцией в единую систему вузов, системная организация научных исследований и профессиональной подготовки в вузе.

Вторая ступень - это объединение в единую систему виртуальной и физической среды на базе открытой системы многофункциональных объектов исследования, единых математических моделей, методов обработки информации и принципов моделирования, современных инновационных технологий.

Третья ступень - это построение единого интегрированного комплекса сетевых автоматизированных лабораторий [2], объединяющего техническое, математическое, программное, методическое и информационноалгоритмическое обеспечение, которое является одновременно и средством, обеспечивающим функционирование ИКСАЛ, и объектом исследований, обеспечивающим объединение всех дисциплин, видов занятий, образовательной, научной, инновационной и производственной деятельности вуза или объединения вузов.

На нижней страте ИКСАЛ интегрируются различные физические явления и закономерности в технологические процессы и объекты управления – многофункциональные установки. При этом для каждого объекта исследования проводится агрегирование всей совокупности изучаемых дисциплин по возможности использования для проведения исследований каждой установки, входящей в состав ИКСАЛ, осуществления образовательной, научной и инновационной деятельности.

На второй страте комплекса размещаются исполнительные механизмы и датчики, образующие с многофункциональными объектами управления гибкую открытую систему расширенных объектов управления.

Третий уровень – уровень контроллеров и локальных систем автоматического управления, объединяющих регуляторы и системы управления с расширенными объектами управления.

Четвёртый уровень объединяет программные средства обработки информации в реальном времени, накопители информации, программные продукты, реализующие методики проведения научных и лабораторных исследований. На четвёртом уровне интегрируются АСУТП и АСУП, компоненты научной, образовательной, инновационной и производственной деятельности. Обеспечивается единая методология системной организации научных исследований и профессиональной подготовки в вузе.

Комплексность. Комплексность отображает, прежде всего, системность, разносторонность, многогранность подхода. Совокупность технических и программных средств, математических моделей, методов и методик, процедур анализа и синтеза, исследования и проектирования по всем дисциплинам и специальностям вуза образует интегрированный комплекс.

Сетевая. Понятие «сетевые» отражает объединение всех технических и программных средств в единую многоуровневую сеть с возможностью обмена информацией между всеми рабочими местами на всех уровнях ИКСАЛ и управления реальными многофункциональными объектами.

Автоматизированная. Свойство «автоматизированная» использовано в смысле проведения как научных, так и учебных исследований в автоматизированном режиме с использованием систем автоматизированной обработки информации, управления и автоматизированного проектирования.

Лаборатория. Понятие лаборатория объединяет учебную и научные стороны исследовательского процесса в единое целое – в учебно-научно-исследовательскую лабораторию.

Виртуально-физическая среда. Интеграция виртуальной и физической сред состоит во взаимном дополнении и проникновении, сопоставлении физических объектов и имитационных математических моделей, результатов экспериментальных исследований и результатов исследований на математических моделях. Объединение виртуальной и физической среды обеспечивает расширение возможностей по исследованию процессов и систем при сокращении затрат на проведение экспериментов с использованием минимального количества физических объектов, сочетает современные методы автоматизированного анализа, синтеза и проектирования, отражает опыт внедрения инновационных технологий.

В соответствии с предлагаемой концепцией лабораторная и научно-исследовательская база вуза строится как единая интегрированная автоматизированная система методологического, информационного, математического, программного, организационного и технического обеспечения, в том числе сетевого комплекса расширенных объектов исследования (КРОИ) и имитаторов, объединенного в единый сетевой программно-технический комплекс, сочетающий в себе универсальность исследований, уникальность объекта исследования, вариативность, комплексность исследования, как на физических объектах, так и на имитаторах и на математических моделях.

Заключение. Создание ИКСАЛ предусматривает переход от специализированных лабораторий кафедр по отдельным дисциплинам и специальностям к интегрированным системам на всех уровнях (лекции, практические, лабораторные, семинарские и др. виды занятий) преподавания по различным специальностям и обеспечивает методическую, математическую, информационную, программно-техническую и организационную совместимость, единство целостность всего учебного процесса по каждой специальности на основе интеграции различных инновационных технологий. Интегрированный комплекс сетевых автоматизированных лабораторий объединяет все лаборатории и аудитории вуза в единую интегрированную систему с возможностью проведения в каждой из аудиторий и лабораторий любого вида занятий по любой дисциплине, преподаваемой в вузе. Как показала оценка экономической эффективности ИКСАЛ затраты на создание одного рабочего места студента для проведения одного часа лабораторной работы примерно в 50-100 раз меньше (в зависимости от специальности или совокупности специальностей), чем в лучших современных системах.

Разработка и внедрение ИКСАЛ обеспечивает.

• 1.    Повышение экономической эффективности проведения лабораторных занятий посредством резкого уменьшения количества эксплуатируемого оборудования и уменьшения площади, занимаемой оборудованием, увеличения загрузки лабораторий, сокращения работ по обслуживанию.

• 2.    Повышение динамичности и гибкости учебного процесса на основе различных педагогических технологий: совместной учебной и научной деятельности студентов; диалоговой; игровой; задачной; тренинговой; информационной.

• 3.    Создание условий для системной организации и проведения самостоятельной работы студентов, НИРС, НИР, работы аспирантов, позволяющих формировать высокий познавательный интерес к усваиваемым знаниям, развивать творческий потенциал, способствовать более глубокому проникновению в отдельные разделы знаний по различным предметным областям на основе их дифференциации и интеграции, организации итерационных процедур, развивать творческие способности и склонность к научно-исследовательской деятельности, расширять теоретический кругозор и научную эрудицию, проводить наиболее эффективный профессиональный отбор способной, одарённой и талантливой студенческой молодёжи для дальнейшего обучения в

• 4.    Интеграцию вариативных инновационных технологий обучения на основе: единых принципов системной организации научных исследований и профессиональной подготовки в вузе; совмещения учебных программ и учебных блоков различных дисциплин и специальностей; научной и практической ориентированности, структурированности и модульности, стратификации или уровневой дифференциации, единства, целостности обучения по всем дисциплинам специальностей; проблемного, дифференцированного и программированного обучения, индивидуальных, подгрупповых и фронтальных форм обучения, разнообразия средств и форм обучения.

• 5.    Создание интегрированной информацион-но-управляющей системы, объединяющей все виды деятельности вуза в целом.

магистратуре и аспирантуре с целью пополнения научных и педагогических кадров, популяризировать научные знания и достижения среди студентов, аспирантов и преподавателей.