Инструментальные программно-технические средства проектирования дистанционных обучающих систем

Ведущие фирмы в области информационных и сетевых технологий (Microsoft Corp., Borland, Hewlett Packard, National Instruments, Intel и др.) производят инструментальные системы, включающие все необходимое программное обеспечение для разработки и поддержки дистанционных систем обучения. Сюда входят программы для создания гипертекстовых, мультимедийных систем, средства для создания пользовательских интерфейсов, программное обеспечение математической обработки результатов исследования и пр.

Однако спектр задач, возникающих при создании дистанционных учебных курсов, значительно шире только подачи учебного материала обучаемому. Так, методическое обеспечение инструментального комплекса должно содержать полную совокупность средств, необходимых и достаточных для его использования в решении задач исследования и обучения:

• — информационно-справочные данные для изучения теоретических основ исследуемых процессов, базирующиеся на применении различных форм представления учебной информации, включая приемы гипертекстового и полиэкранного структурирования, анимационного изображения изучаемых объектов и процессов для активизации формирования знаний и навыков обучающихся;
• — программы имитационного компьютерного моделирования динамических процессов в сложных технических системах и их компонентах;
• — средства подготовки и проведения натурных исследований сложных технических систем и их компонентов в режиме удаленного доступа;
• — средства обработки и анализа экспериментальных данных для практической проверки адекватности применяемых математических моделей.

Необходимой составляющей частью этой подсистемы является подборка аз нескольких десятков контрольных вопросов и задач по каждому тематическому разделу изучаемого курса.

Банк заданий на проведение учебных исследований должен быть разработан таким образом, чтобы индивидуализировать выдаваемые задания и всесторонне охватить выполняемыми исследованиями основные проблемы, характеризующие конкретное тематическое направление. Оперативность получения необходимых экспериментальных данных позволяет формировать учебные задания поискового характера.

В соответствии с изложенными положениями средства программного обеспечения должны включать в свой состав ряд компонентов, выполняющих различные функции:

• — ПО объектного уровня должно содержать набор программ-драйверов управления стандартными и специально разработанными средствами обмена информацией между компонентами, например, автоматизированного стенда.
• — ПО компьютера-сервера предназначено для реализации дистанционного ' обмена информацией между аппаратными средствами автоматизированных лабораторных стендов и рабочими местами пользователей и должно выбираться таким образом, чтобы обеспечить работу технических средств телекоммуникации и, в частности, поддерживать протокол сетевого обмена TCP/IP.
• — ПО рабочих мест пользователей выполняет несколько функций, для реализации которых целесообразно применять соответствующие инструментальные программные средства.

Основная часть ПО рабочего места пользователя может быть создана, например, с применением инструментальной системы прикладных программ LabWindows/CVI фирмы National Instruments (США). Данная система содержит встроенные средства связи с объектами исследования в реальном масштабе времени, а также средства разработки удобных пользовательских интерфейсов. Эти возможности обеспечиваются применением развитой библиотеки примитивов и достаточно полной, легко подключаемой библиотеки математической обработки результатов экспериментальных исследований, включающей программные модули полиномиальной и сплайн интерполяции, цифровой фильтрации, спектрального и корреляционного анализа и т. д.

Значительные потенциальные возможности имеют также современные объектно-ориентированные системы программирования, такие как Microsoft Visual C++ и Borland C++ в совокупности с библиотеками объектов.

Очевидно, что осуществить выполнение требований, предъявляемых к программному обеспечению всех уровней, с помощью какой-либо единой системы разработки невозможно. Необходимо применение различных средств разработки программного обеспечения по принципу соответствия их возможностей задачам разработки различных подсистем программного обеспечения исследовательского оборудования нового поколения.

Подавляющее большинство современных средств разработки программного обеспечения можно условно разделить на следующие группы:

• — средства низкоуровневого программирования, основанные на языках программирования «Ассемблер» и «Си» ;
• — средства визуального программирования, основанные на стандартах языков программирования высокого уровня, например, Си или Паскаль National Instruments LabWIndows/CVI и т. п.;
• — средства объектно-ориентированного программирования (ООП) — Microsoft Visual Basic, Microsoft Visual C++, Borland C++, Watcom C++ и др.;
• — средства визуального программирования, основанные на ООП — Borland Delphi (язык Object Pascal), Borland C++ Builder (язык C++), Microsoft Visual Basic 6.0, Microsoft Visual C++;
• — средства графического программирования — National Instruments Lab-View, LookOut и Bridge View.

Разделение средств, в основе своей использующих ООП, на две группы довольно условно — все они, в принципе, являются визуальными средствами программирования. Однако Delphi и C++ Builder обладают большим набором средств для создания развитого интерфейса пользователя, стыковки с базами данных и т. п., практически не требующих неавтоматизированного программирования.

Средства программирования низкого уровня.

Средства программирования низкого уровня («Ассемблер», Си и Паскаль) являются основным инструментом создания оптимальных по времени исполнения и надежности программ для микропроцессорных устройств, применяемых в измерительно-управляющей подсистеме исследовательского оборудования.

Использование языка программирования Си существенно облегчает включение в программное обеспечение математических действий над числами с плавающей точкой, дополнительных математических операций, вплоть до некоторых функций анализа данных. Однако при этом становится неопределенным время исполнения программы, которое определяется качеством работы кросс-транслятора, тогда как время исполнения программы, написанной на ассемблере, легко определяется.

Поэтому желательно комбинированное использование этих двух языков, программирования при разработке ПО микропроцессорных устройств: Си для общей программы, со сложными алгоритмами и вычислениями, Ассемблердля частей программы, время исполнения которых должно быть строго определено.

Пограммная система LABWINDOWS/CVI.

Программная среда LabWindows/CVI американской фирмы National Instruments представляет собой систему визуального программирования, основанную на языке программирования ANSI С, то есть на стандартном языке Си, без расширений ООП и C++.

LabWindows/CVI отличается присущими всем визуальным средствам программирования простотой и быстротой создания программ с развитым интерфейсом пользователя, а также большой библиотекой математических инструментов обработки цифровых данных. При этом поддерживается практически весь спектр оборудования, выпускаемого фирмой National Instruments и рядом других фирм, для цифровых измерений — встраиваемых измерительных карт, измерительных и управляющих модулей SCXI, VXI и PXI, промышленных микроконтроллеров.

Кроме того, в составе LabWindows/CVI есть инструментальные средства для работы с сетевым протоколом TCP/IP и для использования функций API (Application Programming Interface) — основы операционных систем класса Windows.

Отличительной особенностью LabWindows/CVI и созданного им программного обеспечения является их работа на основе так называемого Runtime-engine, который является прослойкой между программой иг операционной системой и осуществляет управление ее исполнением, координацию обмена данными и системными сообщениями программы с операционной системой. Это существенно увеличивает необходимые для нормального функционирования программы ресурсы компьютера и замедляет ее работу. Такой способ организации работы прикладных программ существенно ограничивает применение LabWindows/CVI при разработке программного обеспечения исследовательского оборудования нового поколения из-за возможного повышения системных требований к необходимому для нормальной работы программы компьютерному оборудованию.

Кроме того, отсутствие механизмов ООП значительно ограничивает функциональные возможности программ, созданных на LabWindows/CVI, или существенно увеличивает время, необходимое на их разработку.

Поэтому использование LabWindows/CVI для создания программного обеспечения исследовательского оборудования возможно для решения несложных задач, не требующих высокой скорости исполнения или серьезного математического аппарата.

Средства объектно-ориентированного программирования.

Средства объектно-ориентированного программирования (ООП), такие как Microsoft Visual C++, Borland C++, Watcom C++ - являются основными средствами программирования в операционных средах семейства Microsoft Windows и применяются при создании программного обеспечения, к которому предъявляются требования высокой надежности и скорости работы при минимальных требуемых вычислительных ресурсах. Это в большей мере виртуальные драйверы устройств для самой операционной системы, служебные программы, программы для работы с сетью, мощные программные комплексы, например, Microsoft Word. Каждая из перечисленных сред разработки программного обеспечения обладает своими достоинствами и недостатками, но, в общем, все они практически идентичны в функциональном плане. Различия сводятся к оптимальности готового кода программ, скорости его работы, но они незначительны.

Однако все перечисленные средства ООП обладают существенным недостатком — они слабо приспособлены для разработки программного обеспечения с развитым интерфейсом пользователя. В них имеется некоторый набор стандартных элементов, таких как кнопки, текстовые поля, таблицы и т. п., но этот набор незначителен и пригоден для создания интерфейса, присущего системному программному обеспечению. В описываемых средствах, конечно, можно создать программу с любым по своей сложности интерфейсом пользователя, насыщенным графикой и удобными элементами, но на создание такой программы уйдет значительно больше времени.

Таким образом, средства объектно-ориентированного программирования при разработке программного обеспечения исследовательского оборудования целесообразно использовать при создании наиболее важных частей программного обеспечения — серверов, модулей для работы в сети и т. п., не требующих развитого интерфейса пользователя.

Средства визуального программирования, основанные на ООП.

Средства визуального программирования, основанные на ООП, -Borland Delphi, Borland C++ Builder — функционально ничем не уступают средствам, описанным выше. Но создание программ с помощью этих систем программирования занимает значительно меньше времени, чем, например, в Microsoft Visual C++, Это достигается благодаря наличию большого числа компонентов, начиная с простейших кнопок, и заканчивая компонентами для работы с сетью или каким-либо оборудованием. Однако механизм разработки программного обеспечения на основе компонентов влечет за собой неоптимальность исполняемой программы, вследствие чего она работает медленнее и требует больше ресурсов" чем такая же программа, написанная, например, на Microsoft Visual С++ или Borland C++.

К преимуществам Delphi и C++ Builder следует также отнести простоту работы с базами данных благодаря наличию специальных компонентов.

Богатые возможности Delphi и C++ Builder легко развиваются подключением других библиотек компонентов. В настоящее время существует множество различных библиотек для этих сред программирования, начиная от библиотек визуальных компонентов до мощных библиотек математического анализа. Особенный интерес при разработке программного обеспечения исследовательского оборудования представляет библиотека Component Works, разработанная американской фирмой National Instruments. Эта библиотека функционально повторяет библиотеку инструментов других продуктов этой компании — LabWIn-dows/CVI и Lab View, существенно расширяя спектр возможностей программ, созданных на Delphi или на C++ Builder.

Таким образом, средства визуального программирования, основанные на ООП — Borland Delphi и C++ Builder, благодаря скорости разработки программ и функциональным возможностям наиболее привлекательны для использования при разработке программного обеспечения исследовательского оборудования нового поколения практически в любой его части, а особенно в части программного обеспечения высшего уровня. Использование этих средств возможно и при разработке ответственных частей программного обеспечения, таких как программное обеспечение серверов, модули работы с сетью или модули управления оборудованием благодаря как возможности использования функций API в составе программы, так и возможностью написания программы с применением только функций API.

Средства графического программирования.

Средства графического программирования занимают особое место в ряду средств разработки программного обеспечения. Для разработки программы с помощью средств графического программировании кроме некоторых навыков, как правило, не надо знать языков программирования, владеть методикой программирования в среде Windows и т. д. Все программирование производится на уровне структуры и алгоритма программы.

Изначально средства графического программирования были предназначены для упрощения доступа инженеров и научных работников, не знакомых с программированием, к разработке систем автоматизации. В основном, имелось в виду программное обеспечение для управления измерительным оборудованием и обработки результатов измерений. Но постепенно развитие графических средств программирования позволило существенно расширить сферу их применения вплоть до разработки программ мониторинга и управления производством или технологическими процессами. Особого прогресса в данной области добилась фирма National Instruments. Ее продукты LabView, LookOut и BridgeView следует рассмотреть отдельно.

LookOut представляет собой систему мониторинга и управления технологическими процессами: работа в реальном времени, поддержка большого количества стандартных измерительных и управляющих устройств, несколько уровней секретности и объявления нештатных ситуаций. Программная система в LookOut строится по принципу логической схемы, что оптимально для технологического процесса и абсолютно не приемлемо для более сложных задач (например, научных исследований), так как не позволяет строить сложные алгоритмы управления различными устройствами, осуществлять серьезную математическую обработку данных и многое другое. Поэтому для разработки программного обеспечевіия исследовательского оборудования LookOut непригоден.

LabView функционально ничем не уступает другим продуктам National Instruments (LabWindows/CVI или Component Works). LabView содержит подобные инструменты для создания интерфейса пользователя, работы с измерительным и управляющим оборудованием, математической обработки данных, работы в сети и т. д. К LabView также можно подключать программные модули, созданные в других средах программирования, например, C++ или LabWindows/CVL Программирование в LabVIew ведется на уровне диаграмм. Диаграммы в LabView — это схемы алгоритмов. Основные элементы «алгоритмического языка» LabView практически повторяют основные конструкции языка программирования Си.

При наличии определенных навыков создание достаточно сложной программы на LabView занимает у разработчика времени примерно на два порядка меньше, чем разработка такой же программы, например, на C++. Однако, основу LabView составляет runtime-engine, подобный аналогичному средству в LabWindows/CVI. Но в LabView оно выполняет значительно больше задач, благодаря чему LabView является практически самой быстрой и самой надежной системой в своем классе.

Однако LabView при всей своей привлекательности предназначена для создания небольших измерительно-управляющих систем, работающих в реальном времени, и не предназначена для разработки мощных, развитых программных комплексов, а тем более системного программного обеспечения, так как для этого LabView слишком громоздкая и медленная система. При создании подобных систем LabView будет проигрывать программам, созданным на C++, как по скорости работы, так и по необходимым компьютерным ресурсам. Поэтому LabView не подходит для создания программного обеспечения исследовательского оборудования.

BridgeView представляет собой построенную на основе LabView систему управления предприятиями и технологическими процессами с элементами разграничения доступа и системы предупреждений, заимствованных из LookOut, и ее использование при создании программного обеспечения для исследовательского оборудования также нецелесообразно.

Средства разработки баз и хранилищ данных.

В настоящее время особенно остро ощущается потребность в информационной поддержке образовательного процесса. Для этого необходимо создание и внедрение обширных распределенных баз и хранилищ данных как основы такого информационного обеспечения. Внедрение такой системы кроме количественного роста объема доступной информации позволяет решить следующие задачи, стоящие перед образовательными учреждениями:

• — активизация самостоятельной работы студентов;
• — интенсификация и индивидуализация обучения;
• — унификация аттестационных требований по дисциплинам на основе государственных образовательных стандартов;
• — объективизация оценки эффективности профессиональной деятельности преподавателей;
• — проведение внутривузовских аттестаций по отдельным элементам образовательных программ;
• — организация обучения и аттестации для различных форм образования.

Анализ требований, предъявляемых образовательными учреждениями к создаваемым распределенным базам и хранилищам данных, показал, что такая база должна быть универсальной и масштабируемой. Кроме того, она должна точно соответствовать своему назначению, иметь понятный интерфейс для пользователей всех уровней, обеспечивать широкую доступность к информации, при одновременном усилении защиты конфиденциальной информации, максимально использовать имеющиеся технические средства.

Создание системы, удовлетворяющей таким жестким требованиям, возможно только при внедрении новейших технологий разработки. В настоящее время активно развиваются направления создания традиционных клиент-серверных баз данных, использующих для обмена данными Интернет и локальные сети, и баз данных, использующих собственно Интернет-технологии для обмена данными.

Для создания современных баз данных широко используются и могут быть рекомендованы к применению системы Быстрой Разработки Приложений (RAD), позволяющие вести разработку средств поэтапно, на каждом этапе предъявляя пользователю для согласования результаты работы. К таким системам относятся широко распространенные Delphi, C++ Builder, PowerBuilder, a также пока не так широко распространенные специализированные системы RAD типа системы JAM фирмы JYACC (США). Для создания Web-ориентированных баз данных существуют собственные средства разработки, такие как WebSpeed 2. x фирмы Progress Software, Baiconur Web Application Server, Jbuilder Client-Server Edition, Symantec Visual Cafe Database Engine и др.

Независимо от используемого средства создания распределенной базы данных, сложность разработки такой системы вызывает необходимость применения специальных программных средств для описания структуры проектируемой системы. Использование таких программных средств позволяет создавать детальные описания проектируемых систем, что значительно снижает трудоемкость создания за счет исключения ситуаций, когда программно реализуется система, отличающаяся от требуемой из-за ошибок в описании структуры. К таким средствам относятся система Silverrun и другие системы, реализующие методику описания сложных распределенных систем DATARUN.

В целом использование таких систем позволяет в короткие сроки создать действующую систему, которая будет совершенствоваться в процессе эксплуатации с учетом новых требований и выявленных недостатков. Возможность развития, заложенная на стадии проектирования, позволит такой системе долгое время выполнять требуемые функции с максимальной эффективностью.