Актуальность исследования

Особую актуальность дистанционное обучение (ДО) приобретает на Украине из-за острой потребности в массовой подготовке и переподготовке кадров, способных эффективно трудиться в условиях рыночной экономики. Недостаток на современном рынке труда Украины квалифицированных инженеров, менеджеров, а также общая компьютерная неграмотность персонала различных сфер деятельности выдвигает на первый план формирования при высших учебных заведениях узлов дистанционного обучения. Эта проблема существует и требует достаточно скорого решения, от которого в конечном итоге будет зависеть будущее государства. Ученые утверждают, что образовательная переподготовка порядка 25% населения сделает необратимыми рыночные реформы.
Социологические опросы выпускников средних школ Украины показали, что около 65% имеют желание продолжить обучение и получить высшее образование. Однако, существующая система высшего образования и имеющаяся в наличии сеть высших учебных заведений способны принять на традиционные формы обучения (дневную и заочную) лишь до 35% желающих. Таким образом, почти половина потенциальных студентов Украины остается за стенами вузов. В плане вовлечения этих молодых людей в процесс получения профессиональных знаний перед дистанционным обучением открываются широчайшие возможности.

Цель и задачи исследования

Целью исследования является теоретическое обоснование выбора технологии доступа к кафедральному узлу ДО и моделирование сети доступа в зависимости от следующих факторов: количества пользователей, генерируемого ими трафика, видов используемого трафика, а также пропускной способности каналов связи.
Задачи исследования:

• раскрытие понятия ДО, анализ проблем и перспектив его развития;
• обзор существующих платформ ДО;
• анализ существующих сетевых технологий для организации сети доступа;
• прогнозирование трафика в сети доступа, моделирование показателей трафика;
• исследование методов организации удаленного лабораторного практикума;
• создание системы тестирования в off-line и on-line режимах;
• моделирование работы сети доступа.

Методы исследования

В исследовании использовался следующий комплекс методов. Теоретические методы исследования - анализ литературы по сетевым технологиям и организации дистанционного обучения, а также ресурсов Интернет по теме исследования. Математические методы моделирования трафика и работы сети доступа. Программирование системы тестирования знаний студентов.

Научная новизна

На Украине проблемы дистанционного образования рассматриваются и решаются многими учебными заведениями. Но следует отметить, что большинство узлов дистанционного обучения направлены на изучение гуманитарных и экономических дисциплин. Подготовка квалифицированного инженера подразумевает получение им практических навыков, лабораторные практикумы. Поэтому при разработке узла дистанционного обучения в технических вузах значительное внимание уделяется созданию удаленного лабораторного практикума и системам тестирования студентов.
Научная новизна исследования заключается в следующем. Обоснован выбор технологии доступа к узлу дистанционного образования в зависимости от количества пользователей, генерируемого ими трафика и качества уже существующих каналов связи между узлом ДО и пользователями. Обосновано использование той или иной методики организации удаленного лабораторного практикума в зависимости от пропускной способности каналов связи. В рамках исследования разработана система тестирования знаний студентов в двух вариантах: для использования в off-line и on-line режимах.

Исследование методов и проблем дистанцинного обучения

Под дистанционным обучением (ДО) подразумевают получение образовательных услуг без посещения вуза, с помощью современных информационно-образовательных технологий и систем телекоммуникации.
Более точное определение ДО следующее: ДО - это обучение, которое протекает в ситуации, когда преподаватель и студент, и студенты друг с другом разделены пространственно.
Без сомнения ДО является развитием заочного обучения, но имеет ряд существенных отличий в сравнении с последним:

• заочное обучение предполагает получение какой-либо конкретной специальности по вполне определенному учебному плану. ДО более демократично. Учащийся может выбрать какой-либо один курс или систему курсов, не связывая это, порой, с получением конкретной специальности.
• при заочном обучении обычно планируются очные занятия, когда учащиеся собираются вместе для прослушивания обзорных лекций, выполнения лабораторных работ, сдачи зачетов и экзаменов. При дистанционном обучении такие сессии могут и не планироваться, однако складывающаяся практика ДО показывает, что хотя бы без одной очной встречи обучающегося и преподавателя на итоговом контроле пока, видимо, не обойтись.
• заочное обучение ориентировалось на печатные материалы, пересылаемые по почте. ДО в своей основе предполагает использование компьютерных и телекоммуникационных технологий.

Плюсы ДО:

• ДО идеально подходит людям, живущим в местах, где отсутствует хорошее высшее образование, людям, которым по тем или иным причинам не хватает времени, людям-инвалидам или страдающим различными заболеваниями, препятствующим получению стандартного образования;
• студент сам может выбирать время обучения, а также интенсивность и продолжительность занятий;
• любые затруднения и проблемы могут быть разрешены в любой момент с помощью электронной почты, можно также связаться со своим преподавателем в режиме on-line и задать все интересующие вопросы;
• при системе ДО исключена опасность, что оценка будет вынесена "с пристрастием".

Минусы ДО:

• затруднена идентификация студента - проверить, кто сдает экзамен, пока невозможно;
• часто возникает проблема в организации учебных и экзаменационных телеконференций из-за недостаточной пропускной способности телефонных линий;
• исчезает непосредственный контакт между преподавателем и студентом;
• невозможно выполнение лабораторных работ непосредственно на оборудовании;
• некоторым специальностям никогда нельзя будет обучать при помощи ДО (например, врачи).

В мире существует ряд платформ ДО, используемых в создании узлов ДО.
Организацию зарубежных платформ ДО рассмотрим на примере платформы LearningSpace компании Lotus. Данный продукт был создан на основании научных исследований, проводимых в институте компании Lotus (Lotus Institute), и на базе опыта по разработке учебных программ, накопленных в отделе обучения Lotus (Lotus Education).
Основным преимуществом данной платформы перед многими другими платформами является акцент на групповое обучение. Это является на данный момент самой эффективной моделью ДО. В такой модели присутствует преподаватель, обеспечивается индивидуальный подход к каждому студенту и создается виртуальное пространство для совместной групповой работы, в которой возможны любые варианты общения типа студент-студент или студент-преподаватель.
Рассмотрим типы обучения, поддерживаемые платформой:

• самостоятельное обучение подразумевает доставку курсов для самообучения. Обеспечение функциональности такой доставки, а также поддержку средств контроля за знаниями осуществляет модуль LearningSpace Core;
• асинхронное обучение подразумевает поддержку дискуссий, работу групп над проектами, доступ к материалам курса, упражнениям и процедурам оценки знаний. Такие функции возложены на модуль LearningSpace Collaboration;
• виртуальная классная комната поддерживает сессии в режиме он-лайн с преподавателем и другими членами группы, совместную работу с приложениями, списки участников, он-лайновый разговор (чат).

Платформа предоставляет преподавателю следующие возможности. Преподаватель может создавать собственное информационное содержание. В качестве инструмента для создания учебных курсов можно воспользоваться самыми разнообразными приложениями и средствами. Например, MS Office, Dreamwaver, Flash, HTML-странички. Большим достоинством платформы Lotus LearningSpace является поддержка самого распространенного в области ДО стандарта AICC, который обеспечивает совместимость между содержимым учебного курса и платформой для ДО.
Кроме того, платформа оснащена функцией Follow Me, с помощью которой преподаватель может управлять Web-браузерами обучаемых и при необходимости перенаправлять их на другие Web-сайты. Также преподаватель получает в свое распоряжение средства для планирования виртуальных семинаров одновременно для нескольких обучаемых и знать при этом на основании данных регистрации, кто "присутствовал" на этих семинарах.

В качестве примера российской платформы ДО рассмотрим систему "ОРОКС 2.1".
Данная платформа позволяет создавать учебные курсу по различным дисциплинам. Обучающие курсы предназначены для использования в локальных сетях при групповом компьютерном обучении, для самоподготовки, а также, при удаленном доступе, для обучения, тестирования, контроля и управления учебным процессом.
Программа позволяет оперативно отслеживать успеваемость каждого слушателя, устанавливать индивидуальные уровни сложности обучения, тестировать, принимать зачеты и экзамены, как в локальной сети, так и через Internet.
На рисунке представлена структура работы платформы "ОРОКС 2.1"

Проблемы организации удаленного лабораторного практикума

На данный момент времени можно выделить два направления в организации удаленных лабораторий. Это имитационное моделирование и удаленное управление экспериментом. Второй подход достаточно распространен, но он менее удовлетворяет идее удаленной лаборатории, так как подразумевает только дистанционное управление экспериментом, а сам эксперимент проводится на натурном образце на стороне пользователя.
Более перспективным является имитационное моделирование. Оно применяется для дисциплин, в которых лабораторные работы проводятся на базе моделирования соответствующих физических процессов или требуют разработки и отладки программного обеспечения.
В данном разделе рассмотрены различные виды имитационного моделирования.
При наличии достаточной пропускной способности каналов связи и разработанных соответствующих клиентской и серверной частей очень удобным в использовании является следующий режим. Интерфейс клиентской части выполняется в виде типового отчета по лабораторной работы, в котором не заполнены некоторые поля. Перед началом работы студент получает задание, проводит некоторые расчеты, результаты которых вносит в пустые поля. Затем нажатием на соответствующую клавишу полученная страница высылается на сервер, где обрабатывается CGI-скриптом, передается как задание на расчет моделирующей программе, результат работы которой возвращается на клиентскую сторону в виде стандартной HTML-странички.
Наиболее приближенный к реальности режим проведения лабораторных работ это online-режим с использованием Java-апплетов. Интерфейс выполняется в виде измерительных приборов с элементами управления, необходимыми при проведении данной лабораторной работы. Пример использования такого режима представлен на рисунке ниже.
Однако такой режим требует высокой пропускной способности каналов связи и достаточно мощного компьютера у студента.
Менее приближенным к реальности, чем предыдущий режим, является online-режим на основе Java-скриптов. Но он требует гораздо более низкой пропускной способности и поэтому чаще становится более приемлемым. В качестве примера остановимся на следующей схеме реализации такого режима. Модели и моделирующие функции необходимые в лабораторной работе реализованы на основе Java-скриптов, собраны в библиотеку и вызываются из файлов HTML. В файлах HTML содержится необходимая разметка, включая тэги таблиц и их оформления, позволяющие схематически имитировать внешний вид измерительных приборов. Тем самым отпадает необходимость использования большого количества графики, замедляющей процесс загрузки. В графических файлах можно разместить только необходимые схемы экспериментов. Кроме этого, страница может содержать форму для записи результатов лабораторной работы, которая отправляется администратору по электронной почте.
Библиотеки, представляющие собой файлы java-script, содержат наборы функций, описывающий поведение объекта исследования и измерительных приборов, взаимодействие приборов и объекта, различные служебные программы, необходимые в процессе работы (например, калькулятор). Модульность построения присущая такой схеме организации позволяет легко расширить номенклатуру лабораторных работ, оптимизировать объем передаваемых на сторону клиента файлов и обеспечить модернизацию работ для конкретных условий применения.
Однако в настоящее время каналы связи кроме низкой пропускной способности еще и не всегда обеспечивают должное качество связи, часто имеют место обрывы связи. В таких случаях предпочтительнее выбирать offline-режимы работы. Например, когда заполненная форма отсылается администратору с использованием почтового протокола. Результат выполнения работы высылается студенту так же - электронной почтой. Или студент загружает себе исполняемую программу, которая и позволяет провести эксперимент. При необходимости результат исполнения записывается файл и высылается администратору ресурса.
Такого рода программы можно писать на языках высокого уровня, основанных на объектно-ориентированном программировании. Достоинством такого подхода является большая свобода в программировании, однако, построение более сложных моделей приводит к значительному росту размера исполняемого файла. Альтернативой является разработка приложений в средах, позволяющих обеспечить интерактивный обмен в сети Интернет, но это повышает требования к аппаратному и программному обеспечению серверных узлов.

Анализ существующих технологий доступа к узлу ДО

Можно определить две ситуации: к ресурсам хочет иметь доступ крупное предприятие (корпорация) или отдельно взятый пользователь(или, возможно, небольшая организация).
Корпоративное решение вопроса подразумевает, что могут быть использованы дорогостоящие технологии и необходимы большая пропускная способность каналов связи.
В этом разделе анализируются существующие технологии, удовлетворяющие таким условиям, выявить их достоинства и недостатки.
Технология ISDN (Integrated Services Digital NetWork) реализует возможность передачи по аналоговым телефонным сетям общего пользования данные в цифровой форме. В настоящее время, кроме телефонной сети общего пользования и возможности передачи компьютерной информации, ISDN поддерживает такие прикладные услуги, как факсимильная связь, телексная связь, видеотекс и др. Одним из основополагающих принципов сетей ISDN является предоставление пользователю стандартного интерфейса, с помощью которого он может запрашивать у сети разнообразные услуги. Такой интерфейс реализуется с помощью терминального оборудования пользователя (компьютер с соответствующим адаптером, маршрутизатор, телефонный аппарат) и сетевого окончания, соединяющим пользователя непосредственно с коммутатором ISDN. Технология ISDN предоставляет два типа пользовательских интерфейсов - начальный (BRI) и основной (PRI).
Таким образом, мы видим, что возможности сетей ISDN удовлетворяют потребностям ДО, а именно: передаче видеоизображения, организации конференций и т.д. Но на данный момент распространение сетей ISDN оставляет желать лучшего даже в тех странах, где эти сети используются более двадцати лет. Такая ситуация вызвана в основном дорогостоящим оборудованием и сложностью первоначального монтажа.
Другой технологией, обеспечивающей двухмегабитную скорость передачи данных, является технология Frame Relay. Первоначально она была стандартизована как служба в рамках сетей ISDN. В дальнейшем, с приобретением большой популярности в начале 90-х она была стандартизована как самостоятельная технология. Сети Frame Relay разрабатывались специально для соединения частных локальных сетей. Такие сети обеспечивают высокую пропускную способность и низкую задержку кадров, но не обеспечивают надежность передачи. Особенностью сетей Frame Relay является гарантия средней скорости передачи по виртуальному каналу при допустимых пульсациях трафика. Стандарты Frame Relay определяют два типа виртуальных каналов - постоянные и коммутируемые. Первый тип каналов целесообразно использовать, когда данные передаются практически все время, а второй, если канал периодически необходим на небольшой промежуток времени.
Кроме технологии Frame Relay, гарантировать качество обслуживания может только технология асинхронного режима передачи АТМ (Asynchronous Transfer Mode). Технология АТМ - это технология нового поколения сетей, сетей по которым можно передавать как компьютерные, так и мультимедийные данные (голос, видео), сетей, обеспечивающих скорости передачи от десятков мегабит до нескольких гигабит в секунду. Например, технология АТМ легко позволяет передавать цветное телевизионное изображение, для которого необходима полоса пропускания около 30 Мбит/с. С точки зрения ДО, передача телевизионного изображения значительно повышает эффективность изучения материала. Эта технология объединяет в себе два подхода - коммутацию пакетов и коммутацию каналов. В технологии АТМ используется 20-байтная адресация узлов и идентификация каждого виртуального канала (идентификатор канала используется только на время соединения). Технология АТМ решает сложную задачу совмещения двух типов совершенно противоположного трафика: компьютерного и мультимедийного. Первый тип трафика асинхронный и пульсирующий, крайне чувствительный к потере данных, второй характеризуется низкой пульсацией, высокой чувствительностью к задержкам и низкой чувствительностью к потере отдельных данных (т.к. потерянные замеры голоса или кадры изображения можно восстановить на основании предыдущих и последующих). Решением для совмещения этих двух видов трафика является передача любых данных пакетами фиксированной и очень маленькой длины в 53 байта и предварительным заказом пропускной способности и качества обслуживания. Заказ качества обслуживания реализуется с помощью классов обслуживания, которые качественно характеризуют требуемые услуги по передаче данных через сети АТМ. Вероятно, для доступа к удаленному узлу ДО, с точки зрения корпорации, технология АТМ является наиболее эффективной.
Отдельно взятый пользователь имеет доступ к ресурсам узла ДО, как правило, через глобальную сеть Интернет. К Интернету пользователь подключается через провайдера Интернет, используя стандартный модем и обычный телефонный канал. Существуют технологии ускоренного доступа к Интернет через абонентские окончания - технологии xDSL (Digital Subscriber Line). Наиболее подходит для целей доступа к ресурсам узла ДО технология асимметричной цифровой абонентской линии ADSL, т.к. пользователь больше загружает данные из сети, чем отправляет их в сеть. Эта технология позволяет получать данные из сети со скоростями в диапазоне от 1,5 Мбит/с до 6 Мбит/с, а отправлять данные в сеть со скоростью до 1 Мбит/c.
Для небольших организаций доступ к ресурсам узла ДО можно организовать с помощью модемного пула, т.е. некоторое количество модемов сделать разделяемым ресурсом как для передачи данных из локальной сети, так и в нее. Модемный пул организовывается с помощью так называемого коммуникационного сервера, в качестве которого может выступать как обычный компьютер, так и специализированное устройство. Коммуникационный сервер предоставляет пользователям локальной сети организации прозрачный доступ к последовательным портам ввода/вывода, к которым подключены разделяемые модемы. Пользователь, подключившийся по локальной сети к коммуникационному серверу, может работать с одним из подключенных к нему модемом точно так же, как если бы этот модем был подключен непосредственно к компьютеру пользователя.
Все вышеизложенное можно проиллюстрировать следующим рисунком.
Несмотря на все приведенные преимущества и недостатки различных решений корпоративного и индивидуального доступа к ресурсам узла ДО, в каждой конкретной ситуации окончательный выбор будет зависеть от уже существующей сети, средств выделенный для организации такого доступа, необходимого качества обслуживания и поставленных перед ДО задач.

Система тестирования знаний студентов

Процесс контроля знаний лучше организовывать в онлайновых режимах в форме тестов. Перед получением задания на выполнение лабораторной работы студент должен ответить на ряд вопросов, в зависимости от результатов которых он может приступить к выполнению работы или получить дополнительные вопросы, или вернуться к изучению теоретического материала.
В рамках исследовательской работы по теме разработана система тестирования для off-line и on-line режимов. Данная система представляет собой практическую ценность и может быть отдельно использована в процессе обучения различным дисциплинам.
В первом варианте это программное обеспечение, разработанное в среде Delphi и использующее СУБД Paradox. Студент получает исполняемый файл, с помощью которого он может проходить тестирование. Каждый курс представляет собой несколько файлов, которые студенту присылает преподаватель. Студент переписывает их в папку с программой, и курс автоматически появляется в его системе. Студент может проходить тестирование в тренировочном и контрольном режимах. В контрольном режиме размышления над ответом ограничены временем и также формируется квитанция с результатами тестирования и высылается преподавателю.
Преподавательская часть системы также представляет собой исполняемый файл, с помощью которого можно создавать вопросы с вариантами ответов. Для каждого вопроса и варианта ответа предусмотрена возможность загружать изображение.
При использовании on-line режима система тестирования организована средствами языков HTML и PHP и использует СУБД MySQL.

Заключение и перспективы исследования

В проведенном исследовании раскрыто понятие ДО и проблемы его организации, сделан обзор существующих платформ ДО, проанализированы технологии доступа к узлу ДО. Особое внимание уделено выбору технологий доступа и методов создания удаленного лабораторного практикума в зависимости от нагрузки узла.
Результаты исследования могут быть использованы в процессе создания узла дистанционного обучения в технических вузах. Проведенный в работе анализ можно применять как при построении новой сети доступа, так и при организации доступа на уже существующей сети.
Разработанная система тестирования может применяться при обучении различным курсам самой различной тематики.