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