Практичні підходи до розгортання та підтримки середовищ навчального експерименту
Структура за темами
-
-
Форум
-
Тетяна Нерода
Українська академія друкарства
Практичні підходи до розгортання та підтримки середовищ навчального експерименту
Вступ. Використання систем керування навчанням за останні десятиліття вигідно продемонструвало свою ефективність при підготовці висококваліфікованих фахівців, у тому числі інженерної галузі. Зокрема, спільний онлайн-доступ до адаптивних освітніх матеріалів забезпечив оперативний і неперервний супровід академічного процесу в умовах пандемії коронавірусної хвороби та запровадження карантинних обмежень. Згодом, під час відкритого повномасштабного вторгнення російського агресора та масової появи тимчасово переміщених здобувачів освітніх послуг, коли частина вітчизняних ЗВО опинилася у зоні проведення бойових дій, такі дистанційні технології дозволили гнучко адаптувати методичний контент і підтримувати його затребуваність в іншому ситуативному вимірі. Особливу складність в організації віддаленого навчання становить розгортання інтерактивних середовищ експериментальних досліджень, які є суттєвим розширенням електронних освітніх курсів.
Актуальність дослідження. Дисципліни професійної та практичної підготовки фахівців з автоматизації та приладобудування і комп’ютерної інженерії мають на меті формування у здобувачів предметних компетентностей з проектування програмно-технічних засобів для багаторівневих кіберфізичних систем керування, у тому числі шляхом застосування методів моделювання та сервісного програмування вбудованих промислових комплексів. Важливим джерелом набуття практичного досвіду студентами інженерних спеціальностей є цільове дослідження профільної предметної області в межах лабораторних практикумів з активним залученням здобувача [1, с. 86]. Послідовність прикладних аспектів осягнення фахової майстерності передбачає побудову дієвого алгоритму життєвого циклу технологічного об’єкта [2], тому актуальними є пошуки для цієї мети адекватного інструментарію мультимедійної платформи навчального експерименту.
Основна частина. Надаючи потужні можливості для педагогічної діяльності та застосовуючи сучасні комунікації при інтегруванні уніфікованих інформаційних ресурсів, тривалий час використовувана в Українській академії друкарства система керування навчанням Moodle дозволяє еластично розширювати функціонал завдяки відкритому кодові та можливості залучення веб-ресурсів через гіперпосилання з налагодженням каналу зовнішнього сервісу. Так, при проведенні лабораторних занять з дисциплін професійної та практичної підготовки навчальні вправи з проектування і дослідження пристроїв керування технологічними процесами та подальшого просторового моделювання оригінальних деталей реалізовано зокрема у броузерному ресурсі Tinkercad з персоніфікованим доступом до хмарних сервісів пакету Google Workspace. Для симулювання дій з обчислювальною платформою Arduino і програмування типових засобів моніторингу та контролю об’єктів IIoT [3] використовується секція Circuits (рис. 1). Крім текстового режиму редактор коду тут також працює у графічному режимі з підтримкою Drag&Drop, при чому алгоритм роботи проектованого пристрою відтворюється спрайтами – візуальними зв’язуваними блоками сценаріїв концептуальних моделей схеми експерименту, які можуть супровідно конвертуватися у код JavaScript, PHP тощо.
Рис. 1. Секція Circuits броузерного ресурсу Tinkercad при емулюванні САК серводвигуном
Далі засобами секції 3D Design (рис. 2) створюється просторова модель виконавчого механізму чи об’єкта керування, яка, будучи експортованою у STL-файл, придатна для подальшого адитивного прототипування з метою оптимізації та модернізації машинного парку оперативної поліграфії [4]. Також завдяки вбудованій підтримці обладнання MakerBot, Polar Cloud, Treatstock, Voodoo тощо тут можливий прямий доступ до периферії та керування процесами пошарового вирощування моделі.
Рис. 2. Секція 3D Design броузерного ресурсу Tinkercad при твердотільному моделюванні затискача ламінованої продукції
При організації віртуальних лабораторій описаний підхід є найоперативнішим; відтак, особливої привабливості йому надає наявність версій для поширених мобільних ОС, що підвищує актуальність представленого рішення в сучасних умовах обмеженого розподілу напруги через масовані терористичні атаки на вітчизняну енергетичну інфраструктуру. Однак основний недолік його полягає у відсутності механізмів ідентифікації та відслідковування безпосередньої активності студентів. Тому доцільно приділити увагу засобам інтегрування середовищ навчального експерименту з можливістю контролю результатів навчання. Зокрема об’єктами плагінів SCORM в ієрархічній структурі електронних курсів можливе передавання певних функцій системи сторонніми візуальними середовищами з доступом до предметно орієнтованих елементів керування та інтерактивною візуалізацією перебігу експерименту. Результати студентської активності для SCORM-об’єктів в СКН Moodle можуть бути відображені засобами моніторингу перебігу етапів завершення та оцінені у декілька стандартних способів.
Проте, описані підходи насправді тільки симулюють доступ до проектованого пристрою, надаючи лише розширений багаторежимний інтерфейс середовища експерименту. Останнім часом у навколоосвітніх спільнотах описуються спроби підімкнення емульованих моделей до фізичної апаратури та зовнішніх вебслужб, що власне визначає альтернативний підхід підтримки середовищ навчального експерименту, який полягає у забезпеченні доступу до натурних стендів, зокрема через одноплатову обчислювальну платформу Arduino.
Для розгортання повноцінного людино-машинного інтерфейсу віддаленої лабораторії у Moodle традиційно застосовується збірка EJSApp (рис. 3), яка дозволяє проектувати найрізноманітніші панелі з широкими можливостями інтерактивності та підтримкою Plug&Play незалежно від використовуваних фреймворків.
Рис. 3. Інструментарій EJSApp для активування апаратної платформи Arduino
Доступ до плати Arduino реалізує скетч StandardFirmata (рис. 4), забезпечуючи функціонування її як сервера. При цьому кінцевий термінал користувача СКН Moodle перетворюється на пульт керування, на який надходитимуть виробничі дані для супровідної візуалізації та подальшого опрацювання. Таким чином, інтерфейс високого рівня з протоколом Firmata робить простішим програмування пристрою керування і надає можливість введення власних бібліотек.
Рис. 4. Ініціалізація StandardFirmata для фізичного доступу до апаратної платформи Arduino
Особливу увагу в такому підході привертає підтримка EJSApp клієнтської бібліотеки візуального програмування Blockly зі згадуваною вже можливістю генерування коду зі спрайтових сценаріїв (рис. 1) для п’яти мов програмування та без необхідності серверного супроводу. Спеціалізація предметної області середовища навчального експерименту гнучко конфігурується прямим надаванням цільового словника параметрів, створюючи окремий екземпляр у конструкторі. Архівування чи експорт користувацьких сценаріїв реалізується через запис структурованих об’єктів шляхом серіалізації у формат JSON. Для динамічної візуалізації та пост-аналізу перехідних процесів чи інших результатів експериментальних досліджень на кінцевому терміналі віддаленої лабораторії застосовується відкрита бібліотека Chart.js, яка наразі підтримує до двадцяти типів діаграм з відповідними системами координат та стилями відображення даних. Експортування у формати поширених програмних пакетів чисельної аналітики та підтримка плагіном EJSApp ресурсів Matlab, LabView, SciLab тощо дозволяє продовжити дослідження у звичних для студентів комп’ютерних середовищах. Клієнтська бібліотека ARToolkit розширює імерсивний функціонал EJSApp, дозволяючи накладати віртуальні об’єкти профільної предметної області з відстеженням фізичних орієнтирів технологічного процесу в реальному часі [5]. Такі текстові та графічні об’єкти дозволять скоротити обсяг демонстраційного обладнання, водночас розширивши практичний досвід перебування здобувачів в індустріальному просторі при інформаційному супроводі освітнього процесу.
Висновок. Розглянуті підходи до розгортання та підтримки середовищ навчального експерименту з використанням безоплатного програмного забезпечення з відкритим кодом спростять прийняття рішення при розробленні електронних освітніх курсів для дисциплін професійної та практичної підготовки фахівців інженерного профілю. Подальші дослідження варто зосередити на розвитку наявного та розробленні нового веб-інструментарію, зокрема Java-аплетів або Javascript-аплікацій у EjsS, для розгортання предметно-інформаційних та інфокомунікаційних середовищ навчального експерименту, придатних до інтегрування у СКН Moodle, що забезпечить здешевлення апаратної бази та матеріального фонду при повноцінному аудиторному навчанні після зняття карантинних обмежень та відміни воєнного стану, урізноманітнить досліджувану предметну область і підвищить гнучкість її налаштування та актуалізації.
Список використаних джерел
- Нерода Т. Проектування науково-освітнього інформаційного простору на базі комп’ютеризованого навчального середовища : монографія. Львів : Українська академія друкарства, 2018. 156 с.
- Шепіта П. І. Оцінювання якості проектування інтерфейсу користувача віртуальної лабораторії для технічних спеціальностей. Комп’ютерні технології друкарства. 2021, № 1 (45). С. 73-80.
- Voiedilo V. Designing the ACS of cutter winding section. Theoretical and Applied Aspects of Device Development on Microcontrollers and FPGAs. 2022, Vol. IV. P. 17-19.
- Лопачак С. Автоматичний вал з зажимами для накрутки готового заламінованого матеріалу у рулон. Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології у виробництві та освіті. 2021, №9. С. 23-25.
- Джус В., Колодич С. Керування маніпулятором в системі товаророзподілу поліграфічного підприємства. Друкарство молоде. 2017, № 17. С. 33-35.
- Нерода Т. Проектування науково-освітнього інформаційного простору на базі комп’ютеризованого навчального середовища : монографія. Львів : Українська академія друкарства, 2018. 156 с.
-