WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

МАТЛИН АЛЕКСАНДР ОЛЕГОВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА СОЗДАНИЯ ВИРТУАЛЬНЫХ ТРЕНАЖЕРОВ

05.13.12 – "Системы автоматизации проектирования (промышленность)"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград – 2012

Работа выполнена на кафедре "Системы автоматизированного проектирования и поискового конструирования" Волгоградского государственного технического университета.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор, Фоменков Сергей Алексеевич.

Официальные оппоненты: Финогеев Алексей Германович, доктор технических наук, профессор кафедры «Системы автоматизации проектирования» Пензенского государственного университета;

Шилин Александр Николаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электротехника» Волгоградского государственного технического университета.

Ведущая организация Южный Федеральный Университет.

Защита диссертации состоится «13» декабря 2012 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 212.028.04 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, Волгоград, пр-т. им. В. И. Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «12» ноября 2012 г.

Ученый секретарь Водопьянов Валентин Иванович диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Отечественное образование всегда отличалось фундаментальной теоретической подготовкой учащихся. Но для того, чтобы студент смог успешно влиться в трудовой коллектив и решать стоящие перед промышленностью и бизнесом задачи после окончания учебного заведения, ему необходимо уже во время обучения приобрести практические навыки работы. Однако существует ряд причин, снижающих эффективность обучения и приобретения студентами практических навыков в рамках учебного процесса:

у многих учебных заведений нет возможности обеспечить студентов материалом, инструментом и другими средствами, с помощью которых студент приобрел бы практические навыки, усвоив при этом ранее полученные теоретические знания;

материалы для проведения практических работ дорогостоящие, что препятствует их массовому использованию;

скоротечность протекания исследуемых процессов может быть столь велика, что студент не успеет зафиксировать и осмыслить произошедшие изменения;

выполнение реальной лабораторной работы может быть опасно для здоровья студентов.

Выходом из сложившейся ситуации может являться использование виртуальных тренажеров как дополнения традиционных теоретических и практических занятий.

Преимуществом использования виртуальных тренажеров является автоматизированная проверка действий студента. В ходе выполнения студентом лабораторной работы автоматизированная система контролирует действия учащегося без участия преподавателя, проверяя правильность выполнения лабораторной работы, использование текстовых и графических подсказок. После выполнения студентом интерактивной виртуальной работы вся информация о результатах доступна преподавателю, который может в режиме реального времени контролировать успеваемость академической группы.

Важным фактором востребованности виртуальных тренажеров является способ их создания. Для того чтобы интерактивные средства обучения широко использовались в массовом порядке, необходимо предоставить разработчику (преподавателю), не имеющему навыков программирования, соответствующее средство (среду) создания такого рода тренажеров.

Среди существующих аппаратно-программных тренажерных комплексов можно отметить LapSim (совместная разработка хирургов университетской клиники Гтеборга, компании Сджикал Сайенс (Швеция) и Иммершн (США)), автомобильный тренажер ОТКВ-2М (ООО «НПП «ТРЕНЕР»), симулятор военной и гражданской техники Скорпион (ООО НПГ «Традиция), тренажерные системы на основе технологии виртуальной реальности и средства создания виртуальных тренажеров LabView (National Instruments, США), 3D STUDIO MAX (Autodesk, США).

Рассматривая существующие средства и способы создания виртуальных тренажеров (лабораторных работ), можно сделать ряд обобщений.

1) Создание виртуальных тренажеров требует от их разработчика глубоких навыков программирования и опыта работы с графическими средствами моделирования, что не позволяет специалисту конкретной предметной области самостоятельно создавать тренажеры.

2) Средства визуального построения виртуальных тренажеров (лабораторных работ), ограничены, в большинстве случаев, одной предметной областью (например, программная система LabView направлена на создание виртуальных тренажеров в электротехнике).

С учетом данных тенденций в настоящей работе предлагается разработка автоматизированной системы создания и воспроизведения виртуальных тренажеров «VirtualLab», состоящей из двух подсистем:

1) подсистема создания виртуальных тренажеров;

2) подсистема воспроизведения виртуальных тренажеров.

Цель диссертационной работы. Целью работы является повышение эффективности (снижение трудовых и финансовых затрат) создания интерактивных виртуальных тренажеров за счет использования автоматизированной системы создания и воспроизведения виртуальных тренажеров.

Задачи исследования. Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

исследовать предметную область, связанную с разработкой и применением виртуальных тренажеров для определения потребности в создании автоматизированной системы создания и воспроизведения виртуальных тренажеров, а также для формирования ключевых требований к ней;

построить модель интерактивного виртуального тренажера;

сформировать методику создания интерактивного виртуального тренажера;

сформировать методику обучения с использованием созданного виртуального тренажера;

разработать автоматизированную систему создания и воспроизведения виртуальных тренажеров «VirtualLab» проверить работоспособность и эффективность автоматизированной системы создания и воспроизведения виртуальных тренажеров «VirtualLab».

Объект исследования. Виртуальные тренажеры.

Предмет исследования. Процессы создания и воспроизведения виртуальных тренажеров.

Методы исследования. В диссертации использованы методы системного анализа, компьютерного моделирования, теории баз данных, объектно-ориентированного проектирования программных систем.

Научная новизна работы состоит в следующем:

разработана модель виртуального тренажера, позволяющая описать виртуальные лабораторные работы различных предметных областей (медицина, электротехника, обучение пользовательскому интерфейсу и т.п.) в структурированной форме, удобной для генерации и последующей обработки;

разработана методика создания виртуальной лабораторной работы, основанная на особенностях модели виртуального тренажера и позволяющая преподавателям создавать виртуальные лабораторные работы без участия технических специалистов;

разработана методика обучения с использованием созданного тренажера, позволяющего заменить реальный объект виртуальным.

Обоснованность и достоверность результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием апробированных методов системного анализа, проектирования программных систем и результатами экспериментальной проверки работы программной системы в процессе создания виртуальных тренажеров различными пользователями.

Практическая значимость и внедрение. Автоматизированная система создания и воспроизведения виртуальных тренажеров «VirtualLab», позволяет разработчику виртуального тренажера, не имеющему специальных навыков программирования, самостоятельно конструировать виртуальные лабораторные работы.

Разработанная автоматизированная система «VirtualLab» может использоваться преподавателями общеобразовательных, среднеспециальных и высших учебных заведений для разработки виртуальных практических лабораторных работ по их учебным дисциплинам. Кроме того, система может быть полезной в учебных центрах и центрах повышения квалификации сотрудников коммерческих и промышленных организаций.

Автоматизированная система создания и воспроизведения виртуальных тренажеров «VirtualLab» внесена в Реестр программ для ЭВМ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. «VirtualLab» прошла апробацию в учебном процессе Волгоградского государственного медицинского университета.

Автоматизированная система «VirtualLab» внедрена в следующих коммерческих и образовательных организациях: Internet Solutions Company, LLC (5348 VEGAS DR, LAS VEGAS NV 89108, USA), INTELEXA s.r.o. (Vodickova 710/31, 110 00 - Praha 1, Czech Republic), Муниципальное образовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №45 Тракторозаводского района г. Волгограда.

По материалам работы получено несколько дипломов на Всероссийских научнопрактических конференциях молодых ученых (Москва, 2008, 2009) и работа являлась участником программы «УМНИК» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Положения, выносимые на защиту:

модель описания виртуального тренажера;

методика создания виртуального тренажера;

методика обучения с использованием созданного тренажера;

новая автоматизированная система создания и воспроизведения виртуальных тренажеров «VirtualLab»;

результаты тестирования и проверки эффективности автоматизированной системы «VirtualLab».

Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры "САПР и ПК" ВолгГТУ, а также на следующих конференциях: «Первая региональная научно-практическая студенческая конференция «Городу Камышину - творческую молодежь» (Камышин, 2007); «XII Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области» (Волгоград, 2008); Научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Технологии Microsoft в теории и практике программирования» (Москва, 2007, 2008, 2009); Международная конференция «Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе (IT + SE)» (Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 2009, 2012).

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 9 опубликованных работах. В том числе 5 статей напечатаны в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертационных работ;

получено 2 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация содержит 112 страниц основного текста, 22 рисунка и 1 таблицу. Библиографический список включает 1наименований. Общий объем работы 142 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, определена научная новизна, приводится перечень основных положений, выносимых на защиту, излагается краткое содержание глав диссертации.

В первой главе приводится обзор современного состояния проблемы разработки и использования виртуальных тренажеров, а также средств их создания, анализируются достоинства и недостатки существующих систем, приводится обоснование необходимости их усовершенствования.

Интенсивное развитие аппаратных и программных средств компьютеризации и связанное с ним распространение информационных технологий в различных областях позволяют все более широко применять компьютерные системы в образовательном процессе.

Использование виртуальных тренажеров в системе образования имеет ряд особенностей, а именно:

1) виртуальные тренажеры могут использоваться как в курсах подготовки специалистов, входящих в программы различных учебных заведений, так и при самостоятельном образовании специалистов, стремящихся повысить свою квалификацию;

2) обучение с применением компьютеризированного виртуального тренажера должно базироваться на определенном объеме теоретических знаний;

3) использование компьютерного тренажера предполагает наличие у обучающегося базовых навыков работы с вычислительной техникой.

Виртуальные тренажеры предназначены для применения в первую очередь в учебных программах подготовки технических и медицинских специалистов. Их целью является отработка базовых навыков работы с тем или иным технологическим оборудованием или порядок проведения медицинских операций. Таким образом, тренажеры должны разрабатываться с учетом методики подготовки специалистов той или иной отрасли.

На сегодняшний день доминируют три основных формы виртуальных тренажеров:

специализированные программы, оболочки и web-решения. Каждой из этих форм присущи ограничения, обусловленные объективными причинами. Для каждой из форм существует определенная "ниша" - область применения.

Решения на базе Web-технологий наиболее просты и удобны в применении, однако имеют ограниченные изобразительные и тестовые возможности.

Виртуальные тренажеры, использующие оболочки, обладают полноценными средствами отображения и тестирования, но недостаточно гибки для реализации на их базе интеллектуальных тренажеров.

Специализированные программы не имеют других недостатков, кроме сложности разработки, но этот недостаток может перевесить любые преимущества. Все попытки перенести систему в более тяжелую "весовую категорию" означают необходимость специальных программных разработок, уменьшение гибкости и усложнение работы с системой.

При разработке единого подхода к компьютерным виртуальным тренажерам следует рассматривать возможность совмещения различных технологий в процессе создания тренажера, каждая из которых позволит наиболее эффективно реализовать ту или иную функцию тренажера.

В работе были рассмотрены виртуальные тренажеры, относящиеся к различным классам, согласно выполняемым ими функциям.

Были рассмотрены аппаратно-программные тренажерные комплексы LapSim (совместная разработка хирургов университетской клиники Гтеборга, компании Сджикал Сайенс (Швеция) и Иммершн (США)), автомобильный тренажер ОТКВ-2М (ООО «НПП «ТРЕНЕР»), симулятор военной и гражданской техники Скорпион (ООО НПГ «Традиция) и тренажерные системы на основе технологии виртуальной реальности.

Важным фактором востребованности виртуальных тренажеров является способ их создания. Для того чтобы интерактивные средства обучения широко использовались в массовом порядке, необходимо предоставить пользователю (преподавателю), не имеющему навыков программирования, соответствующее средство (среду) создания такого рода тренажеров.

В настоящей работе рассматриваются виртуальные тренажеры, не использующие дополнительные аппаратные устройства для взаимодействия с пользователем. Данный класс тренажеров выбран в силу возможности унификации механизмов их создания и возможности их более широкого распространения.

Существующие способы создания виртуальных тренажеров (виртуальных лабораторных работ) можно разделить на две основные категории:

1) визуальные средства создания, позволяющие разработчику виртуальной лабораторной работы без навыков программирования собирать виртуальный тренажер с помощью заранее предустановленных логических блоков (в частности, LabView);

2) создание виртуальных лабораторных работ путем программирования каждой новой лабораторной работы, что требует от их разработчика навыков программирования и навыков работы с графическими пакетами (в частности, 3D STUDIO MAX).

Таким образом, выявлена необходимость проведения научного исследования для разработки модели, методик, алгоритмического обеспечения и реализации их в программном комплексе, позволяющем создавать и воспроизводить виртуальные тренажеры.

Во второй главе описываются предложенные автором подходы к повышению эффективности создания интерактивных виртуальных тренажеров.

Ключевыми требованиями к системе построения интерактивных средств обучения являются:

1) простота использования – пользователь не должен иметь специальных навыков программирования для создания виртуального тренажера;

2) универсальность – система должна предоставлять возможность создавать интерактивные средства обучения для различных предметных областей.

Простота использования предполагает наличие интуитивно понятного пользовательского интерфейса. Пользователь системы должен обладать лишь базовыми навыками работы с офисными пакетами и Интернет-ресурсами.

Расширение круга предметных областей, для которых с помощью автоматизированной системы «VirtualLab» могут создаваться и воспроизводиться виртуальные тренажеры, накладывает ряд ограничений на методику создания виртуальных работ с ее помощью, а именно:

1) виртуальная лабораторная работа состоит из шагов, сменяющих друг друга в процессе выполнения работы;

2) каждый шаг состоит из 2D-изображения, на котором будут происходить действия набором инструментов, представленных также 2D-изображениями;

3) переход между шагами осуществляется по определенным разработчиком виртуальной работы условиям.

В простейшем случае лабораторная работа представляет собой определенную последовательность действий, которую обучаемый должен осуществить при помощи некоторого инструмента применительно к некоторому объекту воздействия.

Последовательность действий всегда детерминирована, за исключением случаев с несколькими вариантами действий на определнных шагах выполнения лабораторной работы, но и тогда все варианты можно свести к семейству отдельных сюжетных линий, представленных на рис. 1.

Вся лабораторная работа обычно ограничена по времени выполнения, причм также отдельные е шаги могут иметь ограничения по времени. Кроме этого, каждое отдельное действие имеет пространственные ограничения, например, скальпель в лабораторной работе по хирургической операции может быть применн только в определнном месте операбельной области.

Рис. 1 - Схематичное изображение сюжетных линий лабораторной работы Перед описанием модели виртуального тренажера, методик построения и выполнения виртуальной лабораторной работы необходимо дать определения базовым понятиям.

Под виртуальной лабораторной работой будем понимать прикладную программу ЭВМ, которая включает в себя:

1) справочный материал – текстовая информация, поясняющая суть выполняемой лабораторной работы и позволяющая студенту получить теоретические знания;

2) видеоизображения, демонстрирующие порядок проведения лабораторной работы;

3) 2D-модель изучаемой предметной области, представляющей собой набор фоновых графических изображений шагов лабораторной работы, для самостоятельного выполнения студентом работы.

Под шагом виртуальной лабораторной работы понимается совокупность действий пользователя, выполняемых на одном фоновом графическом изображении.

Под графическим изображением шага виртуальной лабораторной работы понимается фоновое изображение для данного шага (снимок экрана программного обеспечения, фотография электронного прибора, графическое изображение тела человека и т.п.).

Под инструментом понимается графическое изображение объекта, которым выполняются действия над графическим изображением шага лабораторной работы (скальпель в лабораторных работах, связанных с медициной, вольтметр в электротехнических лабораторных работах и т.п.).

Под активной областью понимается область фонового изображения шага лабораторной работы, в которой пользователь производит действия инструментом (область элемента управления кнопки, оперируемая область тела и т.п.).

Таким образом, виртуальная лабораторная работа состоит из набора ресурсов (графических изображений) и последовательности шагов.

Модель виртуальной лабораторной работы можно представить следующим кортежем M=, где 1) I - идентификатор шага (служебное уникальное название шага);

2) T - тип действия выполняемое инструментом (однократное нажатие в точке;

проведение линии; проведение курсора мыши в активной области фонового изображения при зажатой левой клавиши мыши);

3) V - ссылка на фоновое графическое изображение;

4) D - наименование шага;

5) E - описание отслеживаемых ошибок:

текст сообщения совершившему данную ошибку пользователю;

тип ошибки (выбран не верный инструмент; действия инструментом выполняются в не верной активной области фонового изображения шага);

количество штрафных баллов, снимающихся с совершившего данную ошибку пользователя.

6) A - описание допустимых действий пользователя для успешного прохождения данного шага виртуальной лабораторной работы:

описание допустимых координат для нажатий курсором мыши (перечисление координат и погрешностей);

ссылка на допустимый на данном шаге инструмент.

В модель внесены также атрибуты, необходимые для подсчта текущего уровня освоения учебного материала. Предусмотрены штрафы на каждом лабораторном действии, которые начисляются при нарушении ограничений действия. Например, если в хирургической лабораторной работе обучаемый применит не тот инструмент, ему начисляется штраф, определнный разработчиком тренажра. При достижении установленного в тренажре уровня штрафных очков лабораторная работа считается не выполненной.

Для описания виртуальной лабораторной работы используется формат XML. XML — текстовый формат, предназначенный для хранения структурированных данных (взамен существующих файлов баз данных) и для обмена информацией между программами.

Разработанная модель позволяет описать виртуальные лабораторные работы различных предметных областей (медицина, электротехника, обучение пользовательскому интерфейсу и т.п.) в структурированной форме, удобной для генерации и последующей обработки.

Предложенная модель виртуального тренажера позволяет решить следующие задачи:

1) обеспечить независимость структуры данных от конкретной тематики учебного материала;

2) за счет разделения данных обеспечить расширяемость методами агрегации и наследования предложенных сущностей;

3) реализовать хранение информации, достаточной для воспроизведения виртуального тренажра.

Автором была разработана методика построения виртуальной лабораторной работы, которую можно представить в виде итеративного процесса, изображенного на рис 2.

Данные действия выполняются при создании каждого шага виртуальной лабораторной работы.

В результате создания виртуального тренажера по описанной выше методике формируется пакет файлов, включающий в себя:

1) файлы с текстовым описанием теоретического материала, этапов лабораторной работы, сообщений пользователю и др.;

2) графические файлы, содержащие фоновые изображения шагов лабораторной работы, инструментов, элементов пользовательского интерфейса.

3) аудио- файлы, используемые в звуковом сопровождении выполнения лабораторной работы;

4) видео- файлы, используемые для наглядной демонстрации студентам порядка и правил выполнения лабораторной работы.

После формирования пакета файлов он должен быть использован для воспроизведения виртуального тренажера, а также для предоставления доступа к лабораторной работе пользователям ее выполняющим.

Автором также была разработана методика обучения с использованием созданного виртуального тренажера, которую можно представить в виде итеративного процесса, изображенного на рис. 3.

Для оценки выполнения виртуальной лабораторной работы выбрана 100-бальная шкала, позволяющая более точно оценить уровень подготовленности пользователя.

Рис 2 - Схема построения виртуальной лабораторной работы Рис. 3 - Схема обучения с использованием виртуального тренажера В виртуальной лабораторной работе происходит автоматизированная обработка ошибок пользователя, за которые снимаются баллы. В рамках лабораторной работы предусмотрены два вида возможных ошибок пользователя:

1) выбран неправильный инструмент;

2) действие инструментом произведено вне границ допустимой области.

Первый тип ошибки возникает, когда была произведена попытка действия инструментом, который не является допустимым на текущем шаге. Второй тип ошибки возникает в том случае, если инструмент был выбран правильно, однако действия им были осуществлены вне пределов допустимой области.

В третьей главе описана разработанная автоматизированная система создания и воспроизведения виртуальных тренажеров «VirtualLab». Приводится описание архитектуры системы и основных технических решений, принятых при разработке подсистем и реализации приведенных во второй главе модели и методик.

В качестве методологии разработки автоматизированной системы была выбрана методология MSF (Microsoft Solution Framework). MSF — это методология разработки программного обеспечения, которая опирается на практический опыт корпорации Майкрософт и описывает управление людьми и рабочими процессами в процессе разработки решения.

В качестве языка проектирования автоматизированной системы выбран язык UML.

Данный выбор был сделан, исходя из универсальности языка UML и его интеграции с методологией MSF.

В результате анализа различных платформ реализации автоматизированной системы была выбрана платформа Microsoft.NET.

В качестве системы построения пользовательского интерфейса автоматизированной системы выбрана платформа Windows Presentation Foundation (WPF).

Для выполнения задач, поставленных перед автоматизированной системой в главе 1, была разработана архитектура автоматизированной системы «VirtualLab». Применение разработанной архитектуры позволяет:

1) визуализировать виртуальный тренажр безотносительно конкретного содержания учебного материала;

2) обеспечить визуальное редактирование учебного материала тренажров в режиме диалога с пользователем;

3) обеспечить возможность расширения структуры учебного материала тренажров.

Функциональная структура автоматизированной системы «VirtualLab» представлена на рис. 4. Для выполнения главной функции должны быть реализованы ряд функциональных возможностей автоматизированной системы «VirtualLab», которые были объединены в две связанные группы.

Первая группа функций относится к вводу и редактированию учебного материала и вспомогательной информации, формирующей содержательную часть любого виртуального тренажра. Вторая группа функций – это непосредственное отображение тренажра пользователю и взаимодействие с ним при помощи интерактивного интерфейса виртуального тренажера. На основе определенных выше функциональных возможностей автоматизированной системы «VirtualLab» были выделены отдельные компоненты системы (см. рис. 5).

Автоматизированная система «VirtualLab» включает в себя два исполняемых компонента (подсистемы):

1) подсистема создания виртуальных тренажеров;

2) подсистема воспроизведения виртуальных тренажеров.

Общим звеном между выделенными группами является функция хранения и доступа к учебному материалу. Взаимодействие между двумя выделенными компонентами целесообразно обеспечить через организованное хранилище учебного материала в виде файловой системы.

Редактор описания лабораторной работы отвечает за наполнение лабораторной работы сведениями (учебным материалом) в ходе диалога с пользователем, а также за управление созданными шагами, действиями, инструментами. Компоновщик файлов управляет процессами сериализации и десериализации собранных и отредактированных в ходе работы редактора данных, а также процессами запроса и получения данных из файлового хранилища.

Ядро визуализации и оценки выполнения лабораторных работ отвечает за исполнение сценария лабораторной работы, визуализацию медиа-ресурсов и мониторинг успеваемости пользователя. Ядро доступа к данным файлового хранилища – за запись и чтение файлов с описанием лабораторных работ и медиа-ресурсов.

Общий ход взаимодействия компонентов системы в ходе создания тренажра можно изобразить в виде диаграммы последовательности в нотации UML, представленной на рис. 6.

Таким образом, подсистема создания виртуального тренажера выполняет центральную роль, координируя весь процесс построения виртуальной лабораторной работы.

В работе приведена дальнейшая детализация функций автоматизированной системы «VirtualLab», изображенных на рис. 4.

Автоматизированная система «VirtualLab» функционирует в нескольких режимах:

1) режим нормального функционирования редактора тренажров;

2) режим нормального функционирования процесса исполнения тренажра;

3) режим обработки исключительных ситуаций, возникших во время программных или аппаратных сбоев в работе системы.

Первые два режима функционирования системы предназначены для взаимодействия с пользователем во время создания и воспроизведения виртуальных тренажров. Третий режим предназначен для обработки ошибок, возникших во время эксплуатации системы по разным причинам, а также вывода отладочной информации для разработчиков.

Рис 4 - Функциональная структура автоматизированной системы «VirtualLab» Рис. 5 - Диаграмма компонентов автоматизированной системы «VirtualLab» в нотации UML Рис. 6 - Диаграмма последовательности процесса создания виртуального тренажра в нотации UML В рамках данной работы было разработано методологическое обеспечение, описывающее разработчику виртуального тренажера порядок необходимых действий для успешного построения виртуальной лабораторной работы.

В четвертой главе приведены примеры разработки виртуальных тренажеров с помощью созданной автоматизированной системы «VirtualLab», а также анализ эффективности разработанных решений и системы в целом.

На примере реализации виртуальной лабораторной работы «Хирургический доступ к аппендиксу» подтверждена работоспособность описанных в главе 2 модели и методик.

Показана возможность расширения модели описания виртуального тренажера и методики создания виртуальной лабораторной работы для включения в сценарий лабораторной работы случайных событий на примере виртуального тренажера построения простейшей электрической цепи по дисциплине электротехника.

Для оценки экономической эффективности внедрения автоматизированной системы создания интерактивных средств обучения использовано сравнение трудозатрат и как следствие финансовых затрат на создание одной виртуальной лабораторной работы, состоящей из 20 шагов, с использованием автоматизированной системы и без нее.

Результаты оценки экономической эффективности автоматизированной системы приведены в табл. 1.

Табл. 1 - Трудовые и экономические затраты на создание виртуальной лабораторной работы без использования автоматизированной системы (АС) и с ее помощью Трудовые затраты Экономические Без АС С АС Без АС С АС № Наименование вида работы (минут) (минут) (рубли) (рубли) Подготовка фоновых графических изображений шагов виртуальной лабораторной работы и описание в 1 600 200 6000 20конфигурационном файле виртуальной лабораторной работы параметров фоновых графических изображений Подготовка графических изображений инструментов виртуальной лабораторной работы и описание в конфигурационном 2 1200 400 12000 40файле виртуальной лабораторной работы параметров графических изображений инструментов Установление для каждого фонового изображения активных областей на 3 3600 200 36000 20каждом шаге виртуальной лабораторной работы Установление соответствия между инструментами и активными областями 4 600 100 6000 10фоновых изображений для каждого шага виртуальной лабораторной работы Установление допустимых типов действий для каждого доступного 5 инструмента на конкретном шаге 600 100 6000 10виртуальной лабораторной работы в активной области Установление штрафных баллов за 6 ошибки пользователя виртуальной 600 100 6000 10лабораторной работы 7200 1100 72000 110ИТОГО рублей минут минут рублей На основе оценки экономической эффективности установлено, что применение автоматизированной системы создания интерактивных средств обучения позволяет более чем в 6 раз сократить затраты на создание каждой виртуальной лабораторной работы.

На автоматизированную систему «VirtualLab» получено два Свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2008612088 и № 2012619127.

Автоматизированная система «VirtualLab» внедрена в следующих коммерческих и образовательных организациях: Internet Solutions Company, LLC (5348 VEGAS DR, LAS VEGAS NV 89108, USA), INTELEXA s.r.o. (Vodickova 710/31, 110 00 - Praha 1, Czech Republic), Муниципальное образовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №45 Тракторозаводского района г. Волгограда.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ Основным результатом работы является разработка автоматизированной системы создания и воспроизведения виртуальных тренажеров «VirtualLab», которая позволила повысить эффективность построения виртуальных тренажеров за счет реализации разработанных автором модели и методик.

В рамках работы над диссертацией были достигнуты следующие результаты:

исследована предметная область, связанная с разработкой и применением виртуальных тренажеров для определения потребности в создании автоматизированной системы создания и воспроизведения виртуальных тренажеров, а также для формирования ключевых требований к ней;

построена модель интерактивного виртуального тренажера;

сформирована методика создания интерактивного виртуального тренажера;

сформирована методика обучения с использованием созданного тренажера, позволяющего заменить реальный объект виртуальным;

разработана автоматизированная система создания и воспроизведения виртуальных тренажеров «VirtualLab»;

проверена работоспособность и эффективность автоматизированной системы «VirtualLab».

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК 1. Матлин А.О., Фоменков С.А. Интерактивные средства обучения в образовательном процессе. // В межвузовском сб. научных статей «Известия Волгоградского государственного технического университета. Сер. Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах. Вып.8». - Волгоград:

ВолгГТУ, 2010, №6(66), с. 110-111.

2. Матлин А.О., Фоменков С.А. Построение автоматизированной системы создания интерактивных тренажеров. // В межвузовском сб. научных статей «Известия Волгоградского государственного технического университета. Сер. Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах. Вып.9». - Волгоград: ВолгГТУ, 2010, №11(71), с. 57-59.

3. Матлин А.О., Фоменков С.А. Методика построения виртуальной лабораторной работы с помощью автоматизированной системы создания интерактивных тренажеров. // В межвузовском сб. научных статей «Известия Волгоградского государственного технического университета. Сер. Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах. Вып.13». - Волгоград: ИУНЛ ВолгГТУ, 2012, №4(91), с. 142-144.

4. Матлин А.О., Фоменков С.А. Автоматизированная система создания интерактивных средств обучения в образовательном процессе. // Открытое образование, 2012, №2, с. 1821.

5. Матлин А.О., Фоменков С.А. Модель виртуальной лабораторной работы в автоматизированной системе создания интерактивных средств обучения. // Вестник компьютерных и информационных технологий, 2012, №9, с. 56-59.

Другие публикации 6. Матлин А.О., Осинцев Д.С., Фоменков С.А. Автоматизированная система «интерактивные виртуальные тренажеры». // В сб. трудов V Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Технологии Microsoft в теории и практике программирования». Центральный регион. - М.: Вузовская книга, 2008, с. 75-77.

7. Матлин А.О., Осинцев Д.С., Гетманский В.В., Фоменков С.А. Интерактивные виртуальные медицинские тренажеры. // В сб. трудов VI Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Технологии Microsoft в теории и практике программирования». Центральный регион. - М.: Моск. авиационный ин-т (гос. техн. ун-т), 2009, с. 122-123.

8. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 20086120Автоматизированный программный комплекс «Электронное образование», 2008.

9. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 20126191Автоматизированная система создания интерактивных средств обучения, 2012.

Подписано в печать.11.2012 г. Заказ № Тираж 100 экз. Печ. л.

Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Волгоградский государственный технический университет.

400005, Волгоград, пр. Ленина, 28.

РПК «Политехник» Волгоградского государственного технического университета.

400005, Волгоград, ул. Советская, 35.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.