Technologia informacyjna w edukacji

Transkrypt

TECHNOLOGIE INTERNETOWE W ZARZĄDZANIU I BIZNESIE TIZIB’05
REMIGIUSZ J. RAK*, BOGDAN GALWAS**, SŁAWOMIR NOWAK***
TECHNOLOGIA INFORMACYJNA W EDUKACJI
INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY IN EDUCATION
STRESZCZENIE. Najnowsze osiągnięcia w dziedzinie technologii informacyjnej stawiają przed
nami nowe zadania, ale jednocześnie technologia ta wyposaża nas w zupełnie nowe, wcześniej nieznane narzędzia, które musimy poznać i umiejętnie wykorzystywać. Komputer oraz Internet stają się
niezastąpionymi narzędziami inżynierskimi. Płyty CD mogą być nośnikami wielu treści multimedialnych, w tym nowej generacji książek elektronicznych, przygotowanych w formacie HTML. Technika
komputerowa wyposażyła nas w wirtualne przyrządy pomiarowe, które mogą być dołączone do lokalnej sieci komputerowej oraz Internetu. Z przyrządami wirtualnymi można się łączyć tak w obrębie
lokalnej, jak i rozległej sieci komputerowej i prowadzić eksperymenty, wykorzystując standardową
przeglądarkę internetową. Tak powstaje laboratorium wirtualne, niezwykle ważny element modelu
kształcenia na odległość.
ABSTRACT. The recent developments of information technology open a new difficult tasks, but
at the same time this technology equips us with quite new, unknown earlier tools, which are very
important in a number of implementations. The computer and Internet become irreplaceable engineering tools. The CD-ROMs are the carriers of the new generation electronic books written in HTML
format. Virtual instruments can be interfaced with a local computer network and the Internet. Students
can access virtual instruments via a geographic network and directly carry out real experiments by the
using of a simple standard commercial Internet Web browser. An important objective for the future is
a remote virtual laboratory, a very useful tool for teaching purposes in distance learning.
1.
Wprowadzenie
Technologia Informacyjna (Information Technology) to zespół środków (komputery, sieci
komputerowe) i narzędzi (w tym oprogramowanie) jak również inne technologie (w tym
komunikacyjna), które służą wszechstronnemu posługiwaniu się informacją. Obejmuje ona:
informację, komputery, informatykę, inżynierię komputerową oraz komunikację.
W zasadzie wszystkie dziedziny gospodarki korzystają z technologii informacyjnych.
Najbardziej znaczący beneficjenci nowych technologii to:
*
Pełnomocnik Dziekana Wydziału Elektrycznego ds. Organizacji Studiów przez Internet, Politechnika Warszawska
**
Dyrektor Ośrodka Kształcenia na Odległość, Politechnika Warszawska
***
Dyrektor Centralnego Ośrodka Informatyki, Politechnika Warszawska
9
−
−
−
−
przemysł komputerowy,
przemysł telekomunikacyjny,
operatorzy usług telekomunikacyjnych.
przemysł środków audiowizualnych.
Rozwijająca się lawinowo TI stawia przed nami nowe, trudne wyzwania. Stwarza też
zupełnie nowe możliwości, daje nowe narzędzia, które musimy poznać i umiejętnie wykorzystać. Nowoczesne narzędzia, jakimi dysponujemy z punktu widzenia edukacji, to:
− edytory tekstu,
− edytory grafiki,
− arkusze kalkulacyjne,
− języki programowania i algorytmy numeryczne,
− programy specjalistyczne, symulacyjne i narzędziowe (CAD),
− bazy danych,
− zasoby multimedialne (dźwięk, obraz, tekst),
− interfejsy sprzętowe (np.:RS232, RS485, USB, IEC-625.2, VXI, Bluetooth, IrDA),
− sieci komputerowe,
− Internet
Niestety, musimy być przygotowani na konfrontację z malkontentami i mieć świadomość
narastania obaw graniczących z przerażeniem jako wynik tego, że:
− Rozwój technologii przerasta oczekiwania i wyobrażenia wielu ludzi;
− Patrzą oni na naukę i postęp z obawą, widząc w nich źródło zagrożeń;
− Pożywką dla obaw są: duże bezrobocie, konkurencja i zagrożone środowisko;
− Wielu pracobiorców zmuszonych jest, w swoim życiu zawodowym, przekwalifikowywać się po wielekroć;
− W tyle pozostaje coraz więcej ludzi, którzy nie potrafią pracować przez całe życie z
wysoką aktywnością;
− Globalizacja prowadzi do tempa zmian strukturalnych, jakiemu coraz więcej ludzi nie
jest w stanie podołać.
Warto w tym miejscu odpowiedzieć na pytanie: Co ma z tym wspólnego EDUKACJA?
Odpowiedź jest wyjątkowo prosta, otóż:
− Edukacja przygotowuje ludzi do pracy i życia, pozwala im zrozumieć świat, „odświeżać” wiedzę, nadążać za zmianami;
− Wykształceni pracownicy są decydującym elementem produkcji obok kapitału i technologii;
− Wysoka technologia „trafia” łatwiej do regionów z wykształconą kadrą;
− Powszechność i konieczność edukacji powinny mieć najwyższy priorytet w społeczeństwie informacyjnym;
W konsekwencji tego, przede wszystkim w środowiskach akademickich, należy opracować
sposoby optymalnego wykorzystania nowych narzędzia technologii informacyjnej. Wydaje
się, że najważniejsze zadania jakie stoją przed nami wszystkimi to:
− Stosowanie źródeł informacji i narzędzi TI:
— w procesie poznawczym i samokształceniu,
— w rozwiązaniu problemów naukowo-badawczych,
— w procesie dydaktycznym;
10
−
Dostrzeganie i rozumienie wpływu TI na edukację, życie zawodowe i funkcjonowanie
społeczeństwa;
− Pogodzenie się ze świadomością życia w społeczeństwie informacyjnym.
W tabeli 1 zestawiono szacunkowe dane poniesionych i przewidywanych globalnych
wydatków na edukację w konfrontacji z obrotami rynku telekomunikacyjnego na świecie1.
Tabela 1
Zestawienie przewidywanych wydatków na edukację
Rynek telekomunikacji na świecie w 2000 r.
1700 mld. USD
Światowe wydatki na edukację w roku 2000 (szacunek):
1500 mld. USD
Przewidywane światowe wydatki na edukację w roku 2005:
3000 mld. USD
Przewidywane światowe wydatki na edukację w roku 2010:
6000 mld. USD
2.
Modele kształcenia
Pośród znanych modeli kształcenia najbardziej znaczące pozycje zajmują: model stacjonarny (tradycyjny), model zdalny synchroniczny oraz model zdalny asynchroniczny. Podstawowe elementy składowe, charakterystyczne dla tych modeli, wyspecyfikowane zostały
poniżej.
Model stacjonarny (tradycyjny) (ten sam czas, to samo miejsce):Wykłady i ćwiczenia F2F;
− Laboratorium;
− Seminaria;
− Egzaminy;
− Książki, podręczniki.
Model synchroniczny (ten sam czas, różne miejsca):Wykłady przez radio i telewizję,
− Telewizja satelitarna,
− Audio- i wideokonferencje,
− Książki, podręczniki.
Model asynchroniczny (różny czas, różne miejsca):Komputer,
− Internet, e-mail,
− Podręczniki multimedialne (CD),
− Eksperyment symulowany,
− Laboratorium wirtualne,
− Książki i podręczniki tradycyjne.
Jak wiadomo, model asynchroniczny – to model preferowany obecnie w zakresie kształcenia na odległość. Komputer i Internet to najważniejsze elementy tego modelu. Komputer
umożliwia studentowi:
− połączenie z Internetem,
1
Źródło: M. Couzens, „Time-to-Knowledge”, Online Education, Berlin, 2000
11
− wysyłanie i odbiór poczty elektronicznej e-mail,
− odczyt materiałów dydaktycznych nagranych na płytach CD,
− rozwiązywanie zadań, problemów, wykonywanie raportów, projektów, itp.
Internet i poczta elektroniczna umożliwiają:
− dostęp do materiałów dydaktycznych,
− zdalny dostęp do laboratorium,
− kontakt studenta z wykładowcą,
− kontakt studenta z jednostkami administracyjnymi.
Warto pamiętać, że w behawiorystycznym modelu kształcenia komputer i Internet pełnią
rolę szkolnej tablicy o rozbudowanej funkcjonalności. W modelu konstruktywistycznym
komputer i Internet są narzędziami poznawczymi.
2.1.
Nowoczesna sieć asynchroniczna
Schemat poglądowy nowoczesnej sieci asynchronicznej przedstawiono na rysunku 1.
ADMINISTRACJA
WYKŁADOWCY
PORTAL
EDUKACYJNY
STUDENCI
INFORMATYCY
Rys. 1. Schemat nowoczesnej asynchronicznej sieci edukacyjnej
Z punktu widzenia studenta, dostępne w sieci asynchronicznej narzędzia „studiowania”,
uszeregować można następująco:
− komputer,
− podręcznik multimedialny na CD,
− oprogramowanie edukacyjne,
− Internet:
— portal edukacyjny,
— poczta elektroniczna,
— wirtualne laboratorium,
— biblioteki elektroniczne,
Do elementów procesu studiowania w modelu zdalnym asynchronicznym zalicza się:
− Studia lekcja po lekcji;
− Studiowanie literatury uzupełniającej,
12
− Eksperymenty przez Internet;
− Konsultacje F2F;
− Spotkania w Internecie, e-mail;
− Projektowanie i symulacje;
− Konsultacje zespołowe;
− Praca zespołowa.
Do oceny postępów studenta nauczyciel ma cały arsenał środków. Należą do nich:
− testy,
− zadania obliczeniowe,
− zadania problemowe,
− projekty cząstkowe,
− raporty z eksperymentów i symulacji,
− projekty końcowe,
− projekty zespołowe,
− egzaminy zjazdowe F2F.
3. Podręcznik multimedialnyElektroniczny podręcznik multimedialny jest podstawowym elementem modelu asynchronicznego. Oprócz tradycyjnych treści dydaktycznych może on zawierać:
− pomocnicze oprogramowanie,
− zbiór publikacji,
− testy
− animacje
− symulacje eksperymentów,
− adresy i połączenia (linki) do innych źródeł informacji jak: biblioteki elektroniczne,
archiwa, zbiory, itp.
Narzędzia, jakie twórcy podręczników mają do dyspozycji, podzielić można, co najmniej
na trzy grupy: tradycyjne, multimedialne i zaawansowane. Elementy składowe poszczególnych grup wymienione zostały poniżej.
Narzędzia tradycyjne:
− tekst,
− czcionki, pogrubienie, kolor itp.,
− wzory,
− rysunki,
− zdjęcia,
− kolory tła.
Narzędzia multimedialne:
− komentarze tekstowe,
− komentarze dźwiękowe,
− komentarze audio-video,
− animacje rysunku,
− animacje prezentacji.
Narzędzia zaawansowane:
− generatory testów,symulacje „lokalne”,symulacje „zdalne”,
13
−
−
symulacje eksperymentów,
eksperymenty zdalne
Schemat poglądowy struktury nowoczesnego podręcznika multimedialnego zamieszczono na rysunku 2 (Galwas B. Et al. 2001).
Przedmiot
Jaki powinien być
komputer
Instrukcja pracy z
podręcznikiem
Co trzeba umieć,
by rozumieć
Jednostki lekcyjne
Wymagania
egzaminacyjne
Rozdział 1
Słowo od autorów
Lekcja 1
Lekcja 2
.
.
.
Lekcja 8
Rozdział 2
Jednostki
lekcyjne
Lekcja 9
Lekcja 10
.
.
.
Lekcja 16
Lekcja 1
F
O
R
M
A
T
Wstęp
Wykład
Zadania
P
D
F
Słownik
Bibliografia
Rys. 2. Schemat poglądowy struktury podręcznika multimedialnego
Treści jakie kryją się pod zawartymi hasłami są na tyle oczywiste, że nie będą tutaj komentowane. Interesująca jest natomiast kwestia doskonalenia tego modelu, która jest wynikiem
analizy danych statystycznych zaprezentowanych na rysunku 3.
80%
70%
50%
30%
20%
10%
Słuchanie
Oglądanie
Czytanie
Oglądanie
i słuchanie
Wspólna Samodzielna
praca
praca
Rys. 3. Dane statystyczne stopnia zapamiętywania materiału pochodzącego z różnych źródeł
Już pobieżna analiza tych danych motywuje nas do takiego zaprojektowania modelu podręcznika, aby do czytania, oglądania i słuchania można było dodać pracę wykorzystującą
zdobywaną wiedzę.
Dodatki do napisanego w formacie HTML podręcznika, umożliwiające realizację takiego zadania to:
− aplety Javy,
− moduły FLASH,
14
− aplikacje pod Windows.
Dodatkowy element, wielokrotnie wspominany, a najbardziej zaawansowany, to tzw. Wirtualne Laboratorium, do którego zaliczane są:
− Symulacja eksperymentu;
− Zdalny dostęp do laboratorium rzeczywistego.
Obydwa te elementy możliwe są do zrealizowania dzięki idei tzw. wirtualnego przyrządu
pomiarowego.
4.
Wirtualny przyrząd pomiarowy
Powszechnie wiadomo, że autonomiczne przyrządy pomiarowe, wyposażone w stosowne
interfejsy przyrządowe, to najbardziej popularne elementy składowe systemów pomiarowokontrolnych. Ostatnie stadium w ich rozwoju stanowi tzw. inteligentny przyrząd pomiarowy. Architektura inteligentnego przyrządu pomiarowego pokazana została na rysunku 4.
Mikroprocesor
Koprocesor
KOMPUTER
RAM, ROM
Zegar
Port we/wy
Magistrala
Moduł interfejsu
Wyświetlacz
A/C
C/A
INTELIGENTNY
PRZYRZĄD
POMIAROWY
Rys. 4. Architektura inteligentnego przyrządu pomiarowego
Miała ona racjonalne uzasadnienie dopóty, dopóki na biurku każdego inżyniera nie pojawił
się komputer osobisty. Wtedy to okazało się, że powielanie standardowych bloków komputera, wewnątrz obudowy każdego inteligentnego przyrządu jest wysoce nieracjonalne ze
względów finansowych. Zamiast budować inteligentny przyrząd pomiarowy, równie dobrze można komputer osobisty wyposażyć w kartę przetworników A/C-C/A, napisać odpowiednie oprogramowanie użytkowe i w ten wygodny sposób zrealizować oczekiwane
funkcje pomiarowe. W celu poszerzenia funkcjonalności karty, wyposażonej w firmowy
sterownik, dodano do niej cyfrowy portu we/wy oraz moduł zegarowy (timer). Taki jest
rodowód karty zbierania danych (Data Acquisition - DAQ), a komputer w nią wyposażony
ucieleśnia koncepcję wirtualnego przyrządu pomiarowego. W tym kontekście rodowód
karty zbierania danych wygodnie jest przedstawić na tle architektury wirtualnego przyrządu
pomiarowego (rys.5).
15
MIKROKOMPUTER
OSOBISTY
DAQ
A/C, C/A
Mikroprocesor
Koprocesor
Zegar
Zegar
RAM, ROM
Magistrala
Sterow
-nik
Port we/wy
Monitor
Moduł interfejsu
Port we/wy
WIRTUALNY
PRZYRZĄD
POMIAROWY
Rys. 5. Przykładowa architektura wirtualnego przyrządu pomiarowego
Definicja wirtualnego przyrządu pomiarowego (Rak R, 2003):
Przyrząd wirtualny to rodzaj inteligentnego przyrządu pomiarowego powstałego w
wyniku sprzężenia pewnego sprzętu nowej generacji z komputerem osobistym i przyjaznym
dla użytkownika oprogramowaniem, które umożliwia użytkownikowi współpracę z mikrokomputerem na zasadach takich jakby obsługiwał tradycyjny przyrząd pomiarowy.
Ideę wirtualnego przyrządu pomiarowego, w kontekście tej definicji, wygodnie jest
przedstawić w postaci nieco żartobliwego schematu (rys.6), na którym inżynier/użytkownik
podejmuje decyzje o technice realizacji poszczególnych funkcji przyrządu.
PRZYJAZNE DLA UŻYTKOWNIKA
OPROGRAMOWANIE
SPRZĘT
GENERACJA
WYMUSZEŃ
ZBIERANIE
DANYCH
PRZETWARZA
-NIE
DANYCH
PREZENTACJA
DANYCH
Rys. 6. Idea wirtualnego przyrządu pomiarowego
4.1.
Konfiguracje sprzętowe: DAQ
Już sama definicja, z uwagi na brak precyzji w sformułowaniach, wskazuje na dużą różnorodność w zakresie architektury przyrządów wirtualnych. Z grubsza możne je podzielić na
trzy kategorie:
16
1) Fizycznie istniejące przyrządy autonomiczne wyposażone w interfejsy przyrządowe
IEC-625 lub RS232 (i pochodne), panel graficzny na ekranie monitora (symulujący
płytę czołową) - obsługa przyrządu za pomocą „myszy”,
2) Karta DAQ lub moduły VXI/PXI, (w miejsce przyrządu autonomicznego), panel graficzny na ekranie monitora (symulujący płytę czołową) - obsługa przyrządu za pomocą
„myszy”,
3) Brak fizycznego przyrządu (sprzętu - poza PC), dane wejściowe pobierane z plików w
pamięci masowej, bazy danych, innych komputerów lub generowane w sposób numeryczny, panel graficzny na ekranie monitora (symulujący płytę czołową), obsługa za
pomocą „myszy”.
Ostatnia kategoria dotyczy raczej symulacji przyrządu, systemu lub procesu i jest niezwykle przydatna w dydaktyce. Charakteryzuje się dużą uniwersalnością, elastycznością oraz
niskim kosztem opracowania. Wyjątkowo dobrze nadaje się jako uzupełnienie do nowoczesnych podręczników szkolnych i akademickich wydawanych w formie elektronicznej.
Przykład praktyczny realizacji przyrządu wirtualnego w ramach kategorii nr 2 przedstawiono na rysunku 7.
OPROGRAMOWANIE
Karta DAQ
+CPS
MODUŁY KONDYCJONOWANIA SYGNAŁU
KARTA
CPS
CZUJNIKI POMIAR.
OBIEKT
POMIAROWY
Rys. 7. Konfiguracja wirtualnego przyrządu pomiarowego z kartą DAQ
Bardziej od niej oszczędna konfiguracja dydaktyczna przedstawiona jest na rys.8.
17
Karta DAQ
Źródło Sygnałów
popmiarowych
Rys. 8. Konfiguracja „dydaktyczna” wirtualnego przyrządu pomiarowego z kartą DAQ
Zastosowano w niej źródło sygnałów pomiarowych w postaci miniaturowego modułu firmowego: DAQ SIGNAL ACCESORY (National Instruments). Moduł ten zawiera:
− generator funkcyjny (100Hz-1MHz),
− klucz elektroniczny (200mA),
− wejście dla czujnika temperatury,
− złącze do termopary,
− wejście mikrofonowe,
− wejście sygnału analogowego,
− zasilanie z komputera (via DAQ).
Jeszcze bardziej oszczędna jest tzw. konfiguracja domowa, w której rolę laboratoryjnej
karty zbierania danych pełni popularna karta dźwiękowa.
Karta
dźwiękowa
MIKROFON
Rys. 9. Konfiguracja „domowa” wirtualnego przyrządu pomiarowego z kartą dźwiękową
Bardzo wygodna konfiguracja „dydaktyczna” wirtualnego przyrządu pomiarowego zbudowanego według zaleceń kategorii nr 1 przedstawiona jest na rysunku 10.
18
Karta IEC-625
RS 232
SYMULATOR
PRZYRZĄDÓW
POMIAROWYCH
Rys. 10. Konfiguracja „dydaktyczna” wirtualnego przyrządu pomiarowego z interfejsem przyrządowym i symulatorem przyrządów pomiarowych
Firmowy symulator przyrządów pomiarowych: NI INSTRUMENT SIMULATOR (National Instruments) zawiera:
− oscyloskop cyfrowy,
− multimetr cyfrowy,
− interfejsy IEC-625.2, RS232,
− programowanie: SCPI.
Ciekawy przykład wirtualnego przyrządu pomiarowego rozproszonego w sieci lokalnej
zilustrowano na rysunku 11. Funkcje przyrządu realizowane są w obrębie trzech różnych
terminali sieci.
ZBIERANIE
DANYCH
ANALIZA
DANYCH
PREZENTACJA
DANYCH
Rys. 11. Wirtualny przyrząd pomiarowy rozproszony w sieci
4.2.
Oprogramowanie przyrządów wirtualnych
Oprogramowanie wirtualnych przyrządów pomiarowych można realizować na trzech poziomach. Hierarchiczna struktura tego oprogramowania przedstawiona jest na rysunku 12.
19
OPROGRAMOWANIE NARZĘDZIOWE
POZIOM ROZKAZOWY
POZIOM REJESTROWY
Rys. 12. Hierarchiczna struktura oprogramowania wirtualnych przyrządów pomiarowych
Na najwyższym poziomie w tej hierarchii znajduje się tzw. oprogramowanie narzędziowe.
W zakresie oprogramowania narzędziowego, wspomagającego projektowanie wirtualnych
przyrządów pomiarowych, oferta wyspecjalizowanych firm światowych jest niezwykle
bogata. Rewolucja w dziedzinie oprogramowania narzędziowego dokonała się, bez wątpienia, z chwilą wprowadzenia systemu Windows oraz języków programowania obiektowego.
Klasycznym przykładem oprogramowaniem narzędziowego zawierającego wszystkie nowoczesne mechanizmy wspomagania projektowania wirtualnych przyrządów pomiarowych
w środowisku Windows jest produkt LabWindows/CVI firmy National Instruments. Element rozszerzenia nazwy CVI (C for Virtual Instrumentation) stosunkowo wiernie oddaje
istotę tego środowiska programistycznego – wskazuje na możliwość dostępu do kodu źródłowego w języku C. Wydaje się, że ta cecha wpłynęła na uzyskanie tak dużej popularności
CVI w środowisku akademickim.
Pozostałe, godne uwagi, pakiety oprogramowania to: LabVIEW (National Instruments), VEE (Hewlett-Packard/Agilent, TestPoint (Keithley Instruments) oraz DasyLab
(Dasytec). Specjalne miejsce zajmują programy ukierunkowane na sterowanie i automatykę
przemysłową: BridgVIEW (National Instruments), Lookout (National Instruments) oraz
GeniDAQ (Advantech).
W istocie o sile oprogramowania narzędziowego decydują funkcje biblioteczne. Biblioteki te zawierają elementy:
− dostępu do interfejsów pomiarowych (GPIB, GPIB-488.2, RS-232, VXI/PXI, DAQ),
− obsługi przyrządów autonomicznych (Instrument Library),
− grafiki komunikacji z użytkownikiem (Graphics Library, User Interface Library, Formatting and I/O Library),
− analizy i cyfrowego przetwarzania sygnałów (Analysis Library, Advanced Analysis
Library),
− dostępu do sieci komputerowej (TCP/IP, DataSocket, ActiveX),
− międzyprocesowej wymiany danych DDE (Dynamic Data Exchange).
Wbudowane funkcje cyfrowego przetwarzania sygnałów realizują takie algorytmy jak:
− usuwanie wartości średniej,
− usuwanie trendu i dryftu,
− odszumianie,
20
− filtracja cyfrowa,
− analiza czasowa,
− analiza częstotliwościowa,
− analiza czasowo-częstotliwościowa,
− analiza falkowa,
− i inne.
Analiza parametrów metrologicznych wirtualnego przyrządu pomiarowego jest dość trudna
i żmudna. Schemat algorytmu analizy metrologicznej wirtualnego przyrządu pomiarowego
zamieszczono na rysunku 13 (Rak R. 2003).
WIRTUALNY PRZYRZĄD POMIAROWY
w
ESTYMACJA
w’
{ yn}
x(t)
UŻYTKOWNIK
ODTWARZANIE
x’(t)
PRZETWARZANIE
OBIEKT
POMIARO
-WY
{un}
POBUDZANIE
{un}
STEROWANIE
Rys. 13. Schemat algorytmu analizy metrologicznej wirtualnego przyrządu pomiarowego
Najbardziej nowoczesnym (awangardowym) osiągnięciem w zakresie analizy metrologicznej wirtualnego przyrządu pomiarowego są próby wbudowania mechanizmu oceny niepewności pomiaru „na bieżąco” do głównego algorytmu cyfrowego odtwarzania mezurandu.
Wirtualne przyrządy pomiarowe, w dużym stopniu, zastąpiły w laboratoriach drogie i
skomplikowane przyrządy inteligentne, co znacznie uprościło proces projektowania, uruchamiania i modernizacji tych laboratoriów. Graficzny interfejs użytkownika (GUI), który
do złudzenia przypomina rzeczywisty przyrząd pomiarowy, powoduje, że użycie i rozumienie przyrządu jest intuicyjne dla tych, którzy korzystali do tej pory z konwencjonalnych
przyrządów pomiarowych. Możliwość modyfikowania procedury pomiarowej poprzez
zmianę zainstalowanego w komputerze oprogramowania, bez zmiany komponentów sprzętowych sprawia, że badania i eksperymenty stają się coraz bardziej elastyczne, nowoczesne
i proste. Sprzęgnięcie przyrządu wirtualnego z lokalną siecią komputerową jest zadaniem
niesłychanie prostym. Wymaga zainstalowania karty sieciowej w komputerze i przydzielenia mu numeru IP. Obsługa protokółu sieciowego, natomiast wbudowana jest do większości bibliotek oprogramowania narzędziowego.
5.
Laboratorium wirtualne
Osadzenie wirtualnego przyrządu pomiarowego w rozproszonym systemie zlokalizowanym
w sieci Internet daje niespotykaną do tej pory możliwość tworzenia zaawansowanych i elastycznych systemów, które mogą służyć prowadzeniu eksperymentów i wspomagać proces
21
dydaktyki. Szybki rozwój narzędzi programistycznych ułatwiających komunikację komputerów na duże odległości przesądza o wyjątkowej atrakcyjności wirtualnych laboratoriów.
Możliwe staje się prowadzenie eksperymentów, oferowanych przez różne ośrodki naukowe, oraz korzystanie z wyników przez szerokie grono naukowców i studentów, niezależnie
od miejsca ich aktualnego pobytu. Sprawia to, że wirtualne laboratoria pomiarowe są w
ostatnich latach przedmiotem badań wielu instytucji naukowych. Architektura laboratorium
wirtualnego przedstawiona jest na rysunku 14 (Pyszlak P. et al. 2003).
Student 1
Student 2
. . . .
Student n
INTERNET
Server
LA BORA TORIUM
KOMPUTEROWE
BA ZA DA NY CH
Controller
/ Gate
System 1
Controller
/ Gate
. . . .
Sytem M
Rys. 14. Architektura laboratorium wirtualnego
Można przyjąć, że laboratorium wirtualne ma cechy sieciowego systemu rozproszonego
takie jak:
− współużywanie zasobów,
− otwartość,
− współbieżność,
− skalowalność,
− przezroczystość,
inne.
W tłumaczeniu na język metrologiczny oznacza to:
− Współużywanie pamięci masowych do archiwizacji danych dostarczonych z poszczególnych stanowisk;
22
−
Współużywanie zasobów sprzętowych zainstalowanych w sieci, pozwalające na
optymalizację ich wykorzystania;
− Możliwość funkcjonalnej integracji rozproszonych zasobów pomiarowych.
Wśród nowoczesnych narzędzi projektowania wirtualnego laboratorium wymienić należy:
− Protokoły internetowe: IP, UDP, czy TCP;
− Gniazdka (SOCKETS) - dostępna w wielu systemach Unixowych (oraz pod Windows
9X/NT jako winsock) metoda komunikacji sieciowej miedzy programami;
− Architektura client-server: Program serwera musi otworzyć gniazdko i oczekiwać na
połączenie. Z otwartym gniazdkiem musi być związany pewien numer, zwany portem.
Program klienta łączący się z otwartym gniazdkiem musi „znać” sieciowy adres (serwera oraz numer wybranego portu;
− JAVA: Język programowania zorientowany obiektowo - umożliwia tworzenie oprogramowania systemowego poprzez zbiór współpracujących i niezależnych komponentów zwanych obiektami;
− Obiekty mogą być rzeczywistymi bądź też wirtualnymi przyrządami, sterownikami
urządzeń, serwerami, klientami, lub wreszcie abstrakcyjnymi obiektami jak funkcje
matematyczne i logiczne.
6.
Kompresja danych
Informatycy i inżynierowie różnych specjalności, a najbardziej informatycy, są skazani na
kontakt z dziedziną przetwarzania danych określaną mianem kompresja. Szczególnie duże
znaczenia ma kompresja danych wszędzie tam gdzie występują duże strumienie danych,
które mają być przetwarzane w czasie rzeczywistym. W szczególności dotyczy to struktur
rozproszonych w sieci.
Wspólną cechą wszystkich metod kompresji danych jest redukcja średniej bitowej (bit
rate, [bps], [bpp]) cyfrowej postaci danych niezbędnej do przesłania ich za pośrednictwem
cyfrowego kanału komunikacyjnego lub zapamiętania w pamięci cyfrowej. Kompresja danych jest ściśle związana z teorią informacji, a w szczególności z jej działem znanym powszechnie pod nazwą teorii zniekształceń: Rate-Distortion Theory 2.
Algorytmy kompresji danych dzieli się na dwie podstawowe grupy: kompresji bezstratnej i stratnej. W kompresji bezstratnej nie dopuszcza się żadnych strat informacji. W
procesie kompresji stratnej dopuszcza się pewną utratę informacji, kontrolując jednocześnie
jakość sygnału odtworzonego. Naturalnym sposobem oceny wierności rekonstrukcji jest
rozważenie różnic pomiędzy sygnałem oryginalnym i zrekonstruowanym, czyli zniekształceń powstałych w wyniku zastosowania kompresji.
Dynamiczny rozwój techniki komputerowej doprowadził do stanu, gdy zakres metod
przydatnych do praktycznej realizacji znacznie się poszerzył. Powstały metody hybrydowe
łączące w sobie całe grupy sposobów kompresji. Najbardziej efektywnymi są te metody
2
Tłumaczenie polskie nie jest ścisłe. Określenie rate ma charakter wieloznaczny. W tym tekście
można go utożsamić z pojęciem średniej bitowej (liczby bitów przypadającej na kwant sygnału lub
jednostkę czasu). Funkcja RD ma kształt hiperboli.
23
hybrydowe, które określane są mianem kwantyzacji wektorowej współczynników transformat, łączące tradycyjne kodowanie transformacyjne z kwantyzacją wektorową i alokacją
bitów.
Transformacja sprawia, że w ramach pojedynczego bloku danych wartość każdego
współczynnika zależy od wszystkich danych wejściowych należących do tego samego bloku. Występuje efekt stopniowej, zależnej od rodzaju użytej transformaty, dekorelacji danych. Ponadto przetworzona w ten sposób informacja jest zwykle znacznie bardziej „upakowana” w wyniku koncentracji energii w obrębie fragmentu otrzymanego zbioru współczynników.
Pozostaje kwestia doboru rodzaju transformaty. Największe znaczenie praktyczne dotychczas miały: Dyskretna Transformata Fouriera (DFT) oraz Dyskretna Transformata Kosinusowa (DCT). Ostatnio, w dziedzinie kompresji sygnałów, podobnie jak w przypadku
analizy czasowo-częstotliwościowej przoduje Dyskretna Transformata Falkowa (DWT). Jej
zalety to: wysoka zdolność koncentracji energii, jednoczesna lokalizacja w czasie i częstotliwości, możliwość dopasowania kształtu falek do kształtu sygnału oraz zdolność analizy
wielorozdzielczej.
7.
Zakończenie
Przedsiębiorcy, inżynierowie i nauczyciele akademiccy to grupy społeczne, które nie mogą
ignorować faktu, że informacja zaczyna odgrywać rolę podstawowego, a stopniowo nawet
decydującego, czynnika produkcji - obok kapitału, pracy i surowców. Wkraczamy w Cywilizację Informacyjną.
Edukacja, tak jak wiele innych dziedzin nauki, rozwijanych w dobie społeczeństwa informacyjnego, nacechowana będzie szeregiem elementów wywodzących się z technik informatycznych i technologii informacyjnej. Będą one wnikać do wszystkich elementów i
etapów kształcenia. Stąd też nie powinniśmy przed nimi uciekać, lecz starać się możliwie
szybko nadążać za nowościami technologicznymi i skutecznie wcielać je w życie. Szczególnie dużą rolę musimy przypisywać edukacji wirtualnej, wykorzystywać nowoczesne
narzędzia multimedialne w dydaktyce oraz przygotowywać ludzi do procesu kształcenia
przez całe życie.
Jest faktem, że rozwój technologii informacyjnej stawia przed nami trudne wyzwania,
ale też technologia ta wyposaża nas w nowe i nieznane do tej pory narzędzia, które już wykazują wielką przydatność w procesach badawczych i dydaktycznych. Komputer i Internet
stają się niezastąpionymi narzędziami pracy studenta i profesora. Dyski CD i DVD stają się
nośnikiem nowej generacji podręczników multimedialnych, w których tradycyjny tekst,
ilustracje i rysunki uzupełnione zostały specjalnymi technikami animacji i prezentacji,
wmontowanymi komentarzami audio i video, symulacjami obliczeń i eksperymentów.
Elektroniczny podręcznik akademicki winien spełniać szereg wymagań. Uniwersalnym wymogiem, jak w przypadku każdego podręcznika jest to, aby był napisany i zredagowany w sposób ułatwiający studentowi zrozumienie materiału i osiągnięcie umiejętności
24
posługiwania się opanowaną wiedzą. Warunek ten nie zawsze jest spełniany przez autorów
w odpowiednim stopniu, gdyż napisanie dobrego podręcznika jest sztuką samą w sobie.
Użycie tradycyjnych narzędzi, nie pociąga za sobą żadnych kosztów. Są to: tekst z
wykorzystaniem rozmaitych czcionek, pismo pogrubione, pochyłe, czy też kolorowe, wzory matematyczne i równania, rysunki rozmaitych typów, zdjęcia, dobór koloru tła itp.
Wszystkie wymienione narzędzia powinny być rozsądnie i celowo użyte.
Oddzielnym problemem jest celowe użycie całego szeregu nowych narzędzi oferowanych przez techniki multimedialne. Można tu wymienić: komentarze pisane, komentarze
mówione (audio), komentarze jako pliki filmowe z głosem (audio video), animacje rysunków, animacje prezentacji PowerPoint z komentarzem wykładowcy, generator testów,
wreszcie symulacje obliczeń ilustrujących wywody teoretyczne, czy wręcz symulacje eksperymentów.
Bardzo ważną rolę odgrywa tutaj język Java. Aplety Javy mogą być wplecione do podręcznika przygotowanego w formacie HTML, mogą go „ożywić” i udoskonalić. Java potrafi wzbogacić multimedialną zawartość stron WWW oferując płynne animacje, zaawansowaną grafikę, dźwięk i video bez potrzeby zaopatrywania się w dodatkowe aplikacje i podłączanie ich do przeglądarki WWW. Skompilowany program może zostać dystrybuowany
w polimorficznej sieci Internet, bez potrzeby troszczenia się o to, jakiego systemu operacyjnego i jakiej przeglądarki używają odbiorcy.
8.
Literatura
Galwas B. Nowak J., Pajer M., Witonski P. 2001: New Model of Electronic-Book for Distance-Learning Courses, Proceedings of the EDEN 10th Anniversary Conference,
Stockholm, Sweden.
Pyszlak P., Rak R.J., Majkowski A. 2003: “Selected Problems on the design of a Web
Based Virtual Measurement Laboratory”, IEEE Instrumentation and Measurement
Technology Conference, Vail, USA.
Rak R.J. 2003: Wirtualny przyrząd pomiarowy – realne narzędzia współczesnej metrologii.
Oficyna Wydawnicza Politechniki warszawskiej, Warszawa.
Rak R.J. 2000: Virtual Instrument – the Main Part of Internet Based Distributed System”,
International Conference on Advances in Infrastructure for Electronic Bussiness, Science, and Education on the Internet – SSGRR’2000, L’Aquila, Italy.
25

Technologia informacyjna w edukacji

Transkrypt

Podobne dokumenty

Adapter do połączenia przyrządu serii 401 z USB

Wielkość fizyczna – cecha ciała, którą możemy zmierzyć i wyrazić w

pobierz

wirtualne biuro - Nowe Wyrazy

INSTRUKCJA UŻYTKOWANIA I KONSERWACJI

Wytyczne - taksometry

Nowa generacja przyrządów do ustawiania narzędzi firmy ZOLLER

Instrukcja obsługi