Technologia informacyjna w edukacji
Transkrypt
Technologia informacyjna w edukacji
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 TECHNOLOGIE INTERNETOWE W ZARZĄDZANIU I BIZNESIE TIZIB’05 − − − − 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 TECHNOLOGIE INTERNETOWE W ZARZĄDZANIU I BIZNESIE TIZIB’05 − 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 TECHNOLOGIE INTERNETOWE W ZARZĄDZANIU I BIZNESIE TIZIB’05 − 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 TECHNOLOGIE INTERNETOWE W ZARZĄDZANIU I BIZNESIE TIZIB’05 − 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 TECHNOLOGIE INTERNETOWE W ZARZĄDZANIU I BIZNESIE TIZIB’05 − − 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 TECHNOLOGIE INTERNETOWE W ZARZĄDZANIU I BIZNESIE TIZIB’05 − 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 TECHNOLOGIE INTERNETOWE W ZARZĄDZANIU I BIZNESIE TIZIB’05 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 TECHNOLOGIE INTERNETOWE W ZARZĄDZANIU I BIZNESIE TIZIB’05 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 TECHNOLOGIE INTERNETOWE W ZARZĄDZANIU I BIZNESIE TIZIB’05 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 TECHNOLOGIE INTERNETOWE W ZARZĄDZANIU I BIZNESIE TIZIB’05 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 TECHNOLOGIE INTERNETOWE W ZARZĄDZANIU I BIZNESIE TIZIB’05 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 TECHNOLOGIE INTERNETOWE W ZARZĄDZANIU I BIZNESIE TIZIB’05 − 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 TECHNOLOGIE INTERNETOWE W ZARZĄDZANIU I BIZNESIE TIZIB’05 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 TECHNOLOGIE INTERNETOWE W ZARZĄDZANIU I BIZNESIE TIZIB’05 − 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 TECHNOLOGIE INTERNETOWE W ZARZĄDZANIU I BIZNESIE TIZIB’05 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 TECHNOLOGIE INTERNETOWE W ZARZĄDZANIU I BIZNESIE TIZIB’05 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