Информационные технологии в образовании

Информатика в техническом университете

Информатика в техническом университете

Серия основана в 2000 году



РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ:

        чл.-кор. РАН И.Б. Федоров — главный редактор
        д-р техн, наук И.П. Норенков — зам. главного редактора
        д-р техн, наук Ю.М. Смирнов — зам. главного редактора
        д-р техн, наук В.В. Девятков
        д-р техн, наук В.В. Емельянов
        канд. техн, наук И.П. Иванов
        д-р техн, наук В.А. Матвеев
        канд. техн, наук НВ. Медведев
        д-р техн, наук В.В. Сюзев
        д-р техн, наук Б.Г Трусов
        д-р техн, наук В.М. Черненький
        д-р техн, наук В.А. Шахнов

И.П. Норенков, А.М. Зимин





                Информационные технологии в образовании








Москва Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана 2004

УДК 621 ББК 32.818 НбЗ

Рецензент
д-р техн, наук, проф. К.К. Колин



        Норенков И.П., Зимин А.М.

Н63 Информационные технологии в образовании. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 352 с.: ил. (Сер. Информатика в техническом университете.)

       ISBN 5-7038-2434-6


        Приведены сведения о различных сторонах применения информационных технологий в высших учебных заведениях. Наряду с обзором типов и характеристик компьютеров, периферийных устройств, технических средств телекоммуникационных технологий и вычислительных сетей дано описание методик и инструментальных средств создания электронных учебников, учебных пособий, электронных энциклопедий. Значительное внимание уделено дистанционному обучению, использованию Web-технологий в учебном процессе, организации виртуальных лабораторий и лабораторий удаленного доступа. Обсуждаются проблемы управления качеством обучения.
        В основу книги положены материалы лекций и семинаров, используемых авторами в учебном процессе в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
        Для преподавателей и специалистов по информатизации учебного процесса в высших учебных заведениях. Издание может быть полезно студентам, аспирантам и работникам промышленности, изучающим или использующим информационные технологии в своей работе.




                                                                     УДК 621 ББК 32.818






ISBN 5-7038-2434-6

                                                     © И.П. Норенков, А.М. Зимин, 2004
                           © Ml ГУ им. Н.Э. Баумана, 2004

ОГЛАВЛЕНИЕ


Предисловие.............................................. 10
Список основных сокращений............................... 12
Введение................................................. 14
1. КОМПЬЮТЕРЫ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
  В ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ И НАУЧНЫХ УЧРЕЖДЕНИЯХ........................ 17
  1.1. Классификация компьютеров и вычислительных систем .. 17
      1.1.1. Типы ЭВМ и вычислительных систем............ 17
      1.1.2. Классификация вычислительных систем по соотношению потоков команд и данных............................. 19
  1.2. Устройства ЭВМ и вычислительных систем............ 20
      1.2.1. Процессоры.................................. 20
      1.2.2. Память...................................... 21
      1.2.3. Мониторы.................................... 23
      1.2.4. Видеосистемы................................ 24
      1.2.5. Периферийные (внешние) устройства........... 25
      1.2.6. Шины........................................ 28
      1.2.7. Интерфейсы компьютеров с периферийными устройствами. 29
  1.3. Микропроцессоры................................... 30
      1.3.1. История развития микропроцессоров и их типы. 30
      1.3.2. Пути повышения производительности современных процессоров......................................... 33
      1.3.3. Пример суперскалярной структуры микропроцессора..... 35
  1.4. Персональные компьютеры и рабочие станции......... 36
      1.4.1. Историческая справка........................ 36
      1.4.2. Устройства персональных компьютеров......... 37
      1.4.3. Особенности рабочих станций................. 39
      1.4.4. Требования к персональному компьютеру в системах дистанционного обучения............................. 40
  1.5. Мультимедиа....................................... 41
      1.5.1. Требования к мультимедийному компьютеру..... 41
      1.5.2. Звуковые системы............................ 42
      1.5.3. Видеобластеры............................... 44

5

Оглавление

  1.6. Серверы и суперкомпьютеры............................. 45
      1.6.1. Структуры серверов и суперкомпьютеров........... 45
      1.6.2. Кластеры........................................ 47
      1.6.3. Способы коммутации узлов в многопроцессорных системах ... 48
      1.6.4. Примеры серверов и суперкомпьютеров............. 50
2. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ....................................... 55
  2.1. Введение в вычислительные сети........................ 55
      2.1.1. Классификация телекоммуникационных систем....... 55
      2.1.2. Эталонная модель взаимосвязи открытых систем....          58
      2.1.3. Показатели эффективности сетей.................. 61
  2.2. Среды передачи данных................................. 61
      2.2.1. Основные определения............................ 61
      2.2.2. Классификация каналов передачи данных........... 63
      2.2.3. Спутниковые каналы передачи данных.............. 69
      2.2.4. Системы мобильной связи......................... 70
      2.2.5. Аналоговые каналы передачи данных............... 73
      2.2.6. Цифровые каналы передачи данных................. 76
  2.3. Локальные вычислительные сети......................... 80
      2.3.1. Методы доступа в локальных вычислительных сетях.          80
      2.3.2. Сети Ethernet................................... 84
      2.3.3. Высокоскоростные локальные вычислительные сети.. 86
  2.4. Коммутация и маршрутизация............................ 89
      2.4.1. Способы коммутации.............................. 89
      2.4.2. Транспортные и сетевые протоколы................ 90
      2.4.3. Управление потоками данных в сетях.............. 91
      2.4.4. Маршрутизация................................... 92
      2.4.5. Блоки взаимодействия............................ 93
  2.5. Протоколы ТСРЛР....................................... 96
      2.5.1. Транспортный протокол TCP....................... 96
      2.5.2. Сетевой протокол IP............................. 99
      2.5.3. Адресация в TCP/IP (в Internet)................ 101
      2.5.4. Протоколы управления в стеке TCP/IP............ 104
      2.5.5. Расширение стека TCP/IP........................ 106
  2.6. Сети ATM............................................. 108
      2.6.1. Особенности сетей ATM.......................... 108
      2.6.2. Уровни сетей ATM............................... 110
      2.6.3. Сопряжение локальных вычислительных сетей с сетями ATM................................................. 113

6

Оглавление

   2.7. Сетевые операционные системы и службы............... 114
       2.7.1. Функции и характеристики сетевых операционных систем ... 114
       2.7.2. Распределенные вычисления..................... 116
       2.7.3. Технологии распределенных вычислений.......... 117
       2.7.4. Распределенные базы данных.................... 121
   2.8. Сервисы сети Internet............................... 123
       2.8.1. Электронная почта............................. 123
       2.8.2. Файловый обмен................................ 125
       2.8.3. Протокол эмуляции терминала Telnet............ 125
       2.8.4. Телеконференции и «доски объявлений».......... 126
       2.8.5. Виды и технологии конференц-связи............. 127
   2.9. Сети научных и образовательных учреждений................... 130
3. INTERNET-ТЕХНОЛОГИИ В ОБРАЗОВАНИИ........................ 134
   3.1. Открытое образование и дистанционное обучение............... 134
       3.1.1. Понятия открытого образования и дистанционного обучения............................................ 134
       3.1.2. Технологиидистанционногообучения.............. 135
       3.1.3. Организация открытого образования............. 137
   3.2. Web-технологии...................................... 139
       3.2.1. Гипертекстовая система WWW.................... 139
       3.2.2. Технологии «клиент - сервер», используемые в Internet. 141
       3.2.3. Поиск информации в Internet................... 143
       3.2.4. Порталы образовательных учреждений............ 145
       3.2.5. Мультиагентные системы........................ 150
4. БАЗА УЧЕБНЫХ МАТЕРИАЛОВ.................................. 153
   4.1. Электронные учебные материалы....................... 153
       4.1.1. Структура автоматизированной обучающей системы........ 153
       4.1.2. Электронные учебники.......................... 156
       4.1.3. Интерактивные электронные технические руководства..... 161
       4.1.4. Прикладные электронные энциклопедии................... 164
       4.1.5. Международная стандартизация в сфере открытого образования......................................... 168
   4.2. Представление данных в информационно-образовательных средах................................... 176
       4.2.1. Иерархические уровни представления данных..... 176
       4.2.2. Компрессия, декомпрессия и форматы данных..... 177
       4.2.3. Язык SGML..................................... 182
       4.2.4. Язык HTML..................................... 183
       4.2.5. Язык XML...................................... 188
       4.2.6. Средства отображения XML-документов и создания интерактивных Web-страниц........................... 200

7

Оглавление

      4.2.7. Языки представления документов с математической нотацией......................................... 202
      4.2.8. Языки онтологий............................ 205
   4.3. Инструментальные средства разработки электронных учебных материалов................................... 207
      4.3.1. Группы инструментальных средств............ 207
      4.3.2. Инструментальные средства первой группы.... 208
      4.3.3. Инструментальные средства второй группы.... 214
  4.4. Тестирующие системы.............................. 215
5. ВИРТУАЛЬНЫЕ ЛАБОРАТОРИИ.............................. 218
  5.1. Особенности виртуальных лабораторий.............. 218
      5.1.1. Классификация программного обеспечения виртуальных лабораторий...................................... 218
      5.1.2. Методические аспекты использования виртуальных лабораторий...................................... 221
  5.2. Программное обеспечение виртуальных лабораторий ... 222
      5.2.1. Математические пакеты...................... 222
      5.2.2. Программы моделирования.................... 224
      5.2.3. Примеры программ моделирования............. 226
      5.2.4. Методы и средства оптимизации, структурного синтеза, принятия решений................................. 230
      5.2.5. Методы и средства машинной графики и геометрического моделирования.................................... 233
      5.2.6. Учебные автоматизированные системы......... 235
6. ЛАБОРАТОРИИ УДАЛЕННОГО ДОСТУПА....................... 241
  6.1. Особенности лабораторий удаленного доступа....... 241
   6.2. Технические и программные средства дистанционного управления реальным оборудованием через глобальную сеть................................................. 243
      6.2.1. Технические средства управления оборудованием практикума........................................ 244
      6.2.2. Программные средства управления оборудованием стенда ... 254
      6.2.3. Связь удаленного пользователя с автоматизированным стендом.......................................... 259
   6.3. Методика использования лабораторий удаленного доступа в учебном процессе при различных технологиях обучения 260
   6.4. Действующие автоматизированные лабораторные практикумы с удаленным доступом...................... 272
7. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И КАЧЕСТВО ОБРАЗОВАНИЯ............................................. 287

8

Оглавление

  7.1. Управление качеством обучения в сфере образования .. 287
      7.1.1. Понятие качества..’.......................... 287
      7.1.2. Модели обеспечения качества.................. 288
       7.1.3. Подходы к управлению качеством обучения в сфере образования ............................................ 291
  7.2. Контроль и оценка качества дистанционного обучения.... 291
      7.2.1. Дистанционные образование и обучение......... 291
       7.2.2. Группы системных показателей качества дистанционного обучения............................................ 293
   7.3. Способы оценки показателей качества дистанционного обучения................................................ 295
       7.3.1. Основные положения.......................... 295
       7.3.2. Классификация учебных и учебно-методических материалов, включаемых в базу учебных материалов................ 297
       7.3.3. Оценка качества базы учебных материалов..... 297
       7.3.4. Оценка других показателей качества.......... 301
       7.3.5. Подходы к оценке качества программных продуктов и баз данных........................<■.................... 303
8. ИНФОРМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬЮ
  ВУЗА.................................................... 307
   8.1. Задачи и подсистемы автоматизации управления деятельностью вуза...................................... 307
      8.1.1. Подсистемы автоматизированного управления вуза. 307
      8.1.2. Информационные модели приложений............. 308
      8.1.3. Системы документооборота..................... 311
  8.2. Синтез расписаний учебных занятий.................. 314
      8.2.1. Постановка задачи синтеза расписаний......... 314
      8.2.2. Подходы к решению задач синтеза расписаний... 316
      8.2.3. Алгоритмы синтеза расписаний................. 319
Заключение................................................ 321
Приложения................................................ 323
   П.1. Технические средства и программные инструменты фирмы National Instruments для создания лабораторий удаленного доступа. 323
   П.2. Аннотации действующих автоматизированных лабораторных практикумов с удаленным доступом, размещенных на сайте политехнической Интернет-лаборатории.................... 331
Список литературы......................................... 343
Предметный указатель...................................... 347

9

К 175-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана









        ПРЕДИСЛОВИЕ

  Перед высшей школой России стоят проблемы сохранения высокого уровня образования, традиционно присущего российской образовательной системе, и дальнейшего его развития. Эти проблемы нельзя решить без широкого внедрения информационных технологий в учебный процесс, научные исследования и управление вузами. Поэтому в настоящее время повышенное внимание уделяется оснащению вузов современными компьютерами и программным обеспечением, разрабатываются технологии дистанционного обучения, открыта новая специальность «Информационные технологии в образовании». Однако уровень подготовки выпускников вузов по вопросам использования компьютеров и автоматизированных систем зачастую не в полной мере соответствует предъявляемым требованиям. Отчасти это связано с недостаточной подготовкой преподавательского состава в области информационных технологий.
  Данное издание посвящено изложению различных компонентов и прикладных аспектов информационных технологий в высшей школе. Его цель - помочь преподавателям и работникам вузов, чья деятельность связана с информатизацией и компьютеризацией учебного процесса, в решении стоящих перед ними задач.
  В книге использован опыт работы авторов по созданию автоматизированных обучающих систем, методик дистанционного обучения, виртуальных лабораторий и лабораторий удаленного доступа в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Главы 1-5, 7 и 8 написаны И.П. Норенковым, глава 6 - А.М. Зиминым.
  Первые две главы книги посвящены вопросам технического обеспечения университетских автоматизированных систем: в них приведены сведения о типах, характеристиках и устройствах компьютеров, об архитектуре, о разновидностях и протоколах вычислительных сетей.
  Третью главу можно рассматривать как введение в современные технологии дистанционного обучения, которые в своем большинстве основаны на использовании Internet. В этой главе приведены сведения о Web-технологиях и о порталах образовательных учреждений.

10

Предисловие

   Учебное и учебно-методическое обеспечения автоматизированных обучающих систем составляют электронные учебники, учебные пособия и ряд других информационных ресурсов. Четвертая глава книги является одной из центральных, в ней описаны структуры автоматизированных обучающих систем, технологии создания электронных учебных материалов, дан обзор международных стандартов, посвященных информационным технологиям в образовании.
   Практические навыки работы по специальности студенты приобретают главным образом в процессе выполнения лабораторных практикумов, курсовых, научно-исследовательских работ и заданий на курсовое и дипломное проектирование. В значительной мере эти виды учебных занятий базируются на использовании компьютеров. Пятая глава книги посвящена проблемам построения виртуальных лабораторий, в которых практические задачи решаются на компьютерах с помощью программного обеспечения имитационного моделирования, геометрического моделирования и конструирования, оптимизации и структурного синтеза.
   В шестой главе рассматриваются технологии, аппаратные и программные средства решения практических задач в лабораториях удаленного доступа к реальному оборудованию. Очевидно, что пользователями средств лабораторий виртуальных и удаленного доступа являются не только студенты и аспиранты, но и сотрудники подразделений вуза, проводящие научно-исследовательские работы.
   Дистанционное обучение должно способствовать повышению качества подготовки специалистов. Но для реализации потенциальных возможностей в достижении высокого качества обучения нужно уметь оценивать качество дистанционного обучения. Эти вопросы рассмотрены в седьмой главе.
   Применение информационных технологий в учебном заведении не ограничивается сферой учебной и учебно-методической работы. В восьмой главе даны краткие сведения об автоматизированных системах управления и документооборота, используемых в вузах.
   В монографии использованы результаты, полученные при выполнении Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002 - 2008 годы».
   Авторы считают своим приятным долгом выразить благодарность президенту Discoverlab corp. (USA) г-ну А.А. Ародзеро за представленные материалы по WWSL-проекту и полезные обсуждения.

        СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ


АКД - аппаратура окончания канала данных
АЛЛ УД - автоматизированный лабораторный практикум с удаленным доступом
АО С   - автоматизированная  обучающая система
АП     - абонентский пункт
АРМ    - автоматизированное  рабочее место
АСД    — автоматизированная  система делопроизводства
АСУТП - автоматизированная система управления технологическими процессами
АЦП - аналого-цифровой преобразователь
БД     - база данных
БИС    - большая интегральная схема
Б С    - базовая станция
БУМ    - база учебных материалов
БЭФ    - базовый элемент формы
ВЛВС - виртуальная локальная вычислительная сеть
ВОЛС   - волоконно-оптическая линия связи
ВС     - вычислительная система
ГА     - генетический алгоритм
ГИС    - геоинформационная система
ГМ     - генетический метод
ДО     -дистанционное обучение
ИКМ - импульсно-кодовая модуляция
ИМ     - информационная модель
ИОС - информационно-образовательная среда
ИПС - информационно-поисковая система
ИЭТР - интерактивное электронное техническое руководство
КК     - крейт-контроллер
КОП    - канал общего пользования
КЭ     - конечный элемент
ЛВС    - локальная вычислительная сеть
МКЭ    - метод конечных элементов
ММС    - магистрально-модульная система
О ОД   - оконечное оборудование данных

12

Список основных сокращений

ОС   - операционная система
ПК    - персональный компьютер
ПО   - программное обеспечение
ПП   - прикладная программа
ППА - приемопередающая аппаратура ПЭЭ - прикладная электронная энциклопедия РБД - распределенная база данных РВ - распределенные вычисления РСУБД - распределенная СУБД
САПР - система автоматизированного проектирования СБИС - сверхбольшая интегральная схема СДО - система управления документооборотом СУБД - система управления базами данных СУД - система управления документами ТРЕК - технология разделяемых единиц контента ТфОП - телефонная сеть общего пользования
УИ ПО - учебно-исследовательское программное обеспечение УМК - учебно-методический комплекс
У СО - устройство сопряжения с объектом
ФМ    - функциональный модуль
ЦАП - цифроаналоговый преобразователь ЦС   - центральная станция
ЭИ   - электронное издание
ЭМВОС- эталонная модель взаимосвязи открытых систем ЭУ - электронный учебник

        ВВЕДЕНИЕ

   Мы живем в нестабильном неспокойном мире. XXI век поставил перед человечеством ряд сложных глобальных проблем, от решения которых зависит его будущее. Эти проблемы часто называют вызовами XXI века.
   Первый вызов - энергетический. Не за горами истощение ресурсов традиционных источников энергии в недрах земли. В то же время потребление энергии, особенно в индустриально развитых странах, продолжает расти. Мы надеемся на ученых, на то, что ими, с одной стороны, будут открыты новые, пока не известные источники энергии, а с другой - разработаны новые энергосберегающие технологии.
   Второй вызов - экологический. Хотя человечество и осознало необходимость охраны окружающей среды и использования экологически безопасных технологий, но разработка природоохранных мероприятий и безвредных технологий пока существенно отстает от потребностей экосистемы.
   Следующий вызов - демографический. Доля людских ресурсов экономически развитых стран в численности населения планеты продолжает уменьшаться, что не способствует повышению общего культурного уровня населения, которому и предстоит решать проблемы XXI века. Демографические проблемы наиболее остро проявляются в России, где на фоне старения населения заметны демографические спады.
   Еще один вызов - социальный. Социальные проблемы обостряются в связи с неравенством в распределении ресурсов как между слоями населения в масштабах России, так и между «золотым миллиардом» и остальным человечеством в глобальном масштабе.
   В решении этих проблем наметились две тенденции: постепенный переход к постиндустриальному обществу на основе развития и широкого применения информационных технологий; повышение культурного и профессионального уровня большинства жителей Земли на основе развития и распространения методик, средств и технологий образования.
   Следовательно, в современных условиях существенно возрастает роль образования [1], повышаются потребности общества в образовательных услугах.

14

Введение

   По данным ЮНЕСКО, число студентов в мире до сих пор имело тенденцию к росту, о чем свидетельствует рис. В.1. Спрос на образовательные услуги сегодня превышает предложение: например, в США насчитывается около 100 млн желающих учиться при наличии в образовательных учреждениях не более 15 млн мест. Ограничение предложения образовательных услуг во многом определяется нехваткой высококвалифицированных преподавательских кадров. Среди других проблем образования можно выделить трудности сопровождения учебных материалов, их адаптации к потребностям обучаемых и к динамике развития областей знаний и новых технологий.
   Чтобы система образования была готова принять вызовы XXI века, необходимы ее определенные преобразования на базе использования современных информационных технологий. Основные надежды возлагаются на создание и сопровождение информационно-образовательных сред (ИОС) открытого образования и дистанционного обучения (ДО), на развитие новых объектных технологий создания баз учебных материалов (БУМ) наряду с развитием традиционных технологий разработки электронных учебников [2] и мультиагентных технологий образовательных порталов [3].
   Таким образом, информационные технологии и образование в совокупности становятся теми сферами интересов и деятельности человека, которые знаменуют эпоху XXI века и должны стать основой для решения стоящих перед человечеством проблем.
   В свете изложенного выше начинает формироваться новая перспективная предметная область «Информационные технологии в образовании», к которой относится проблематика интеллектуальных обучающих систем, открытого образования, ДО, информационных образовательных сред. Эта область тесно соприкасается, с одной стороны, с педагогическими и психологическими проблемами, а с другой - с результатами, достигнутыми в таких научно-технических направлениях, как телекоммуникационные технологии и сети; компьютерные системы обработки, визуализации информации и взаимодействия с человеком;


Годы

Рис. В.1. Рост численности студентов в мире

15