Для того чтобы в полной мере понять значимость и необходимость виртуальных лабораторий в современном образовании необходимо начать рассмотрение данного вопроса с материально технической оснащенности учебных заведений различного уровня.
В данный момент очень актуален вопрос отсутствия пригодного лабораторного оборудования, в связи с постоянно и неуклонно развивающимся техническим прогрессом, также существуют важные недостатки финансового обеспечения. Эксплуатация морально устаревших и отсутствие современных учебных лабораторных комплексов не позволяет в полном объеме получить практические навыки для закрепления изученного теоретического материала, что негативно сказывается на качестве образовательного процесса в целом.
Наряду с этим обучение и наука все больше и чаще реализуются программно и виртуальные лаборатории становятся естественным инструментом университетского и послевузовского образования.
Использование виртуальных лабораторий в учебном процессе позволяет с одной стороны предоставить возможность обучающемуся провести эксперименты с оборудованием и материалом, которыми он не имеет возможности воспользоваться из-за отсутствия реальной лаборатории, получить практические навыки проведения экспериментов, ознакомиться детально с компьютерной моделью и процессом работы уникальной аппаратуры, исследовать опасные в реальной ситуации процессы и явления, не опасаясь за возможные последствия [1].
С другой стороны, подключение имеющегося лабораторного оборудования и приборов к компьютеру в рамках виртуальной лаборатории позволяет перевести традиционную лабораторию на новый уровень технологий, соответствующий сегодняшнему уровню развития науки и техники.
Таким образом, виртуальные лаборатории возможно использовать для:
подготовки учащихся к реальным процессам посредством выполнения лабораторных работ;
занятий, если нет в наличии соответствующих материалов, реактивов и оборудования;
дистанционного обучения;
самообразования;
проведения экспериментальных исследований и научной работы.
Визуализация — один из наиболее эффективных приемов обучения, которые помогают проще и глубже разобраться в сущности различных явлений. Особенно полезны визуализация и моделирование при изучении динамичных, изменяющихся объектов и явлений, которые сложно понять, имея только статичную картину. Лабораторные работы и учебные эксперименты не только полезны, но и весьма интересны — при соответствующей организации. Но далеко не все учебные эксперименты является возможным или необходимым реализовывать в «реальном» режиме, в таких ситуациях наиболее подходящими для визуализации и получения результатов являются виртуальные лаборатории.
Что же такое «виртуальная лаборатория»? По определению В. В. Трухина, виртуальная лаборатория «представляет собой программно-аппаратный комплекс, позволяющий проводить опыты без непосредственного контакта с реальной установкой или при полном отсутствии таковой. В первом случае мы имеем дело с так называемой лабораторной установкой с удаленным доступом, в состав которой входит реальная лаборатория, программно-аппаратное обеспечение для управления установкой и оцифровки полученных данных, а также средства коммуникации. Во втором случае все процессы моделируются при помощи компьютера» [1].
Таким образом, виртуальные лаборатории определяются двумя различными типами программно-аппаратных комплексов:
лабораторная аудиторная установка с удаленным доступом — дистанционные лаборатории;
программное обеспечение, позволяющее моделировать лабораторные опыты — виртуальные лаборатории.
Как уже говорилось, существуют виртуальные лаборатории с удаленным доступом (реально существующие) и моделируемые виртуальные лаборатории (существуют только в пределах программы).
Наиболее распространенным видом исследования в виртуальных лабораторных комплексах считается второй вид. Так как значимость создания виртуальной лаборатории в образовании возникла в связи с трудностями применения в большинстве случаев реальных лабораторий. Если сравнивать виртуальные и реальные лаборатории, можно выделить следующие преимущества виртуальных лабораторий:
для проведения разного рода лабораторных работ нет необходимости приобретать дорогое оборудование. В результате недостаточного финансирования в большинство лабораторий установлено старое оборудование, которое может давать не точные результаты опытов или искажать их и служить потенциальным источником опасности для обучающихся. Помимо этого существуют области, где помимо оборудования необходимо закупать расходные материалы, цены на которых достаточно высоки. Несмотря на то, что программное обеспечение и компьютерное оборудование также стоит недешево, их широкая распространенность и универсальность компьютерной техники компенсирует этот недостаток;
возможность моделирования большого набора процессов, протекание которых тяжело в реальных лабораторных условиях;
безопасность — это еще одна немаловажная причина и преимущество использования виртуальных лабораторий, особенно в тех случаях, когда идет работа с опасными материалами и высоковольтными устройствами;
подробная и многостороннее представление (визуализация) на компьютере. В настоящее время современные компьютерные технологии позволяют увидеть и пронаблюдать в динамике процессы, которые трудно различить в реальных условиях без использования специализированной техники;
возможность «масштабирования» времени. Это означает, что проводящий опыт или лабораторную работу может наблюдать в замедленном режиме процесс, протекающий в очень короткое (в долях секунды) время или напротив ускорить процесс, протекающий в длительное время (длящийся в течение нескольких лет), и это, в свою очередь, дает возможность глубже проникать в тонкости процессов;
благодаря тому, что при моделировании виртуального процесса управление осуществляется через компьютер, появляется возможность проведения множества опытов с разными значениями входных параметров, необходимых для определения необходимого результата;
существуют работы, требующие в дальнейшем обработки больших массивов полученных цифровых данных, выполняемые на компьютере после проведения серии экспериментов. И здесь проблема заключается в том, что уязвимым местом в текущей последовательности действии при использовании реальной лаборатории является введение полученных результатов в компьютер. Эта процедура естественно исключается при проведении опыта в виртуальной лаборатории, так как полученные данные заносятся непосредственно при выполнении опытов или автоматически. Соответственно экономится время исследования и уменьшается количество возможностей для совершения ошибок;
важным и отдельным преимуществом является возможность использования виртуального лабораторного комплекса в дистанционном обучении, когда отсутствует возможность работы в лабораториях университета, потому что в рамках своей программы дистанционного обучения университет может охватывать не только другие города своей страны, а также города других стран.
Как уже говорилось ранее, снижение конкурентоспособности образовательных институтов сугубо традиционного типа, а также недостаточно высокий уровень внедрения новых технологий и разработок в образование и производство из-за отсутствия достаточно квалифицированных и компетентных специалистов, свидетельствуют о необходимости создавать учреждения высшего образования нового типа.
Для решения описанных выше проблем, в образовательный процесс ВУЗов может быть внедрена программно-аппаратная платформа Виртуальной Компьютерной Лаборатории на Основе Технологии Облачных Вычислений (ВКЛОТОВ). Это комплекс программных и аппаратных средств, основанный на технологиях виртуализации (представление самого опыта и результатов его вычисления посредством возможностей компьютера), которые позволяют гибко, по запросу, предоставлять вычислительные ресурсы учебного заведения, и университета в частности, для создания виртуального сервера, выполнения научных и исследовательских работ различных направлений, ресурсоемких расчетов и заданий, выполнение которых трудно представляется или почти невозможно без освоения сложных корпоративных, коммуникационных, вычислительных, информационных и иных систем [2].
Виртуальная компьютерная лаборатория такого или подобного типа также может эффективно использоваться для решения большого количества всевозможных и очень объемных учебных, научно-исследовательских и вычислительных задач: проведение расчетов при написание курсовой работы и дипломных проектов, выполнение вычислений в лабораторных работах студентами, работа по созданию и ведению баз данных, веб-серверов, разнообразных клиентских и серверных приложений, реализация системы дистанционного обучения и т. п.
ВКЛОТОВ обеспечивает доступ ко всем установленным в лабораторный комплекс приложениям, находящимся в пользовании университета, без их установки и настройки на необходимом конечном устройстве, независимо от местоположения учащегося и характеристик устройства. Такая деятельность по проведению опытов в виртуальной среде позволяет студентам, предпочитающим индивидуальные траектории обучения или не имеющим возможности осуществлять практическую реализацию полученных теоретических навыков в самом учебном заведении, иначе воспринимать изученное, или же с другой стороны взглянуть на систему дистанционного образования, а также дает возможность оценить параметры и способности нынешних информационных технологий, технологий коммуникаций, интерактивных учебно-теоретических и -практических материалов и работать через удаленный доступ с любым программным обеспечением, которое может быть использована в течение учебного процесса.
Технологии перехода в виртуальный режим, динамически изменяемый в размере способ удаленного доступа к вычислительным ресурсам и ресурсам программных компонентов в виде сервиса, который в реальном времени предоставляется через сеть Интернет. Пользование данным сервисом не требует знаний о комплексе взаимодействия программной и аппаратной составляющих ВКЛОТОВ и особого умения управления данной технологией.
Модель на основе ВКЛОТОВ обладает такими особенными характеристиками:
доступ к ресурсному обеспечению лаборатории на основе интернет-ориентированного подхода, система управления всеми компонентами и подсистемами лаборатории является интегрированной и централизованной;
пропускная и вычислительная способность компонентов аппаратной части платформы виртуальной лаборатории очень высока, что обеспечивается благодаря использованию серверов с архитектурой Blade, а также использованию определенной специализированной системы хранения данных;
достаточно небольшой размер (компактность) системы на которой основана виртуальная лаборатория и, сравнительно с другими аппаратно-программными комплексами, относительная неприхотливость к условиям, в которых системе предназначено функционировать;
создание резервных копий имеющихся и выходных данных и всех компонентов, жизненно важных для системы;
масштабирование и сервисное обслуживание в «горячем режиме»;
наличие открытого программное обеспечение, на платформе которого и образуется требуемая лаборатория;
регулирование уровня нагрузки, так называемая балансировка.
Основными причинами, которыми могут обуславливаться предъявляемые высокие требования к обеспечению аппаратных средств ВКЛОТОВ и сетевым ресурсам, являются и возможное большое количество работающих в один момент времени в среде виртуального лабораторного комплекса клиентов, и необходимость иметь в наличии дополнительные свободные системные ресурсы, которые могут понадобиться клиенту во время работы и быть задействованы в горячем режиме (по требованию).
Гибкость при администрировании ресурсов и обеспечение их распределения по требованию/запросу (работа в «облаке») позволяют исключить настройку параметров и функций вручную и автоматически управлять загруженностью всех виртуальных машин и выполнением в ускоренном темпе требующих наибольших затрат ресурсов приложений или вычислительных процессов.
Каждый компонент ВКЛнОТОВ связан с любым другим, и они вместе образуют в совокупности цельную взаимосвязанную программную структуру из различных компонентов виртуальной компьютерной лаборатории.
На кафедре Информационно-вычислительных систем Карагандинского государственного технического университета (КарГТУ) проведен комплекс работ по созданию и внедрению в учебный процесс виртуального лабораторного комплекса для выполнения лабораторно-практических работ по дисциплинам «Компьютерные сети», «Интегрированные телекоммуникационные технологии» с целью получения опыта и навыков в области построения и администрирования коммутируемых локальных сетей передачи данных. Данный комплекс являются высокоэффективным методом обучения, так как виртуальная среда обучения максимально имитирует реальные условия.
В заключение следует отметить, что, в сущности, современное образование имеет две стороны. При рассмотрении его с одной стороны (официальной), есть учебная программа, экзамены, жесткие правила, четко определенный список предметов в курсе обучения, обозначенная официальная позиция и качество обучения. Если же рассматривать другую сторону образования, т. е. реальную, то здесь как раз и сконцентрировано все то, что и представляет собой аспекты современного образования и самообразования: дигитализация, UoPeople, eLearning, обучение посредством Coursera, Mobile Learning и другие обучающие онлайн комплексы, вебинары, виртуальные лаборатории и т. п. К сожалению, это на сегодняшний день еще не стало частью общепринятой парадигмы образования глобального уровня, и все же пока ограниченно, но дигитализация образования и исследовательской работы начала происходить.
MOOC-обучение (Massive Open Online Courses, массовые лекции из открытых источников) — это действенный способ, применяемый в образовательном процессе для передачи на теоретических занятиях описаний опытов, аксиом, различных формул и других разнообразных теоретических знаний. И в это же время для закрепления материала и достаточной полноты освоения практически всех технических и многих гуманитарных дисциплин необходимо детальное рассмотрение множества процессов и, как следствие, крайне важным становится получение самих практических навыков — обучение, осуществляемое в цифровом формате откликнулось на эту эволюционную необходимость и создало другой способ проведения практических и лабораторных работ — виртуальные лаборатории, для школьного и особенно университетского обучения.
Также существует известная проблема eLearning: как и в других обучающих комплексах, по большей части преподаются теоретические дисциплины, и однозначно, следующей ступенью развития онлайн образования должен стать охват практических областей посредством виртуальных лабораторных комплексов.
Виртуальные лаборатории создаются в целях имитации реальной лабораторной среды и производимых в ней процессов, и вместе с тем моделирования учебной среды, в которой студенты трансформируют свои теоретические знания в практические знания и навыки экспериментальным путем. Также виртуальные лаборатории могут давать обучающимся значимые виртуальные ощущения, с помощью которых появляется способ повторить любой неудавшийся эксперимент или расширить познания в практической части. Кроме достоинств в получении результатов, интерактивный характер таких методов обучения обеспечивает интуитивно понятную и приятную среду обучения и взаимодействия с виртуальной лабораторией. Применение виртуальных программно-аппаратных комплексов будет содействовать в повышении эффективности при реализации учебных и практических занятий, усвоению учебно-методических материалов, а также результативности обучения в общем.
Литература:
- Черемисина Е. Н., Антипов О. Е., Белов М. А. Роль виртуальной компьютерной лаборатории на основе технологии облачных вычислений в современном компьютерном образовании // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2012.– № 1. — С. 53–60.
- Антипов О. Е., Белов М. А. Опыт использования открытого программного обеспечения в виртуальной компьютерной лаборатории на основе технологии облачных вычислений // Проблемы и перспективы развития образования в России: сборник материалов VI Международной научно-практической конференции / Под общ. ред. С. С. Чернова. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010.
