Разработка виртуальной лабораторной работы по дисциплине "Языки программирования"

Таким образом, выполнение выше перечисленных требований при  проектировании и разработке программного комплекса дает необходимые и достаточные условия построения интегрированной, распределенной виртуальной вычислительной среды, способной решать задачи предметной области в удаленном режиме.

 

1.2 Обзор существующих технологий  и разработок виртуальных лабораторий 

 

В настоящее время известно несколько видов архитектур виртуальных  лабораторий, действующих через сеть Internet. В данном разделе мы рассмотрим классические, наиболее значимые, с нашей точки зрения, из них.

Наиболее простой вариант  создания виртуальной лаборатории  в сети Internet основан на технологии, заключающейся в реализации исследуемых моделей в виде приложений, которые пользователь загружает при посещении определенного адреса URL. Программа выполняется на стороне ПК исследователя, при этом изучаемая модель постоянно хранится на стороне клиента. Примером может послужить Java-технология, о которой более подробно будет говориться ниже.

Совсем другой подход основывается на распределенной клиент-серверной архитектуре. В данном случае некоторые модули хранятся на стороне сервера, а некоторые на стороне клиента. Передача информации между сервером и клиентом может осуществляться с использованием различных сетевых механизмов. Например, это могут быть сокет-соединения (socket connection). Основная проблема с сокетами состоит в том, что они не поддерживают типы данных и, следовательно, нуждаются в ручном разборе сообщений. В противоположность Web-службы для обмена данными придерживаются протокола XML (extensible Markup Language - Расширяемый Язык Разметки). Здесь разрешено предварительное определение сложных типов данных.

Для того чтобы на стороне  клиента не возникали проблемы при  получении данных с сервера, разработчику при использовании клиент-серверной архитектуры необходимо создавать свой собственный протокол передачи информации. Например, если пользователь работает как дома, так и на работе, то его модель может не работать, как предполагалось, потому что клиент на работе может находиться за брандмауэром (firewall), который не позволяет передачу данных серверу по определенному порту. В противоположность Web-службы используют, например, протокол передачи гипертекста (Hypertext Transfer Protocol) и поэтому получают преимущество в способности проходить через большинство систем безопасности (брандмауэры, proxy-серверы и так далее).

Однако до настоящего времени  преобладающей архитектурой приложений, ориентированных на Internet, является архитектура HTML-CGI (Common Gateway Interface — Стандартный интерфейс обмена данных). CGI содержит все функциональные возможности, и исследуемая модель полностью хранится на сервере. Пользователь взаимодействует с программой посредством web-обозревателя. При использовании данной архитектурной модели программа не может использовать ресурсы клиента и отсутствует непосредственная интерактивность.

Основываясь на проведенном анализе  существующих программ можно выделить отдельные виды компьютерных лабораторий. Разделение на виды произведено исходя из возможностей, предоставляемых программой. Было выделено три вида программ, между которыми  существуют качественные различия.

1.2.1 Интерактивные демонстрации. В большинстве случаев демонстрационные программы не являются компьютерными лабораториями, так как не содержат достаточно элементов интерактивности, но могут успешно выполнять функции по показу проведения экспериментов. Могут базироваться на статических, анимационных или видео составляющих и позволяют показать на экране компьютера видеозаписи явлений и опытов или их имитацию.

Пользователь получает возможность  управления просмотром протекания процесса в различном темпе времени  или по шагам, но не может вмешиваться  в ход процесса и повлиять на его  результат.

Как пример таких программ можно  привести интерактивные демонстрации, входящие в состав образовательных  продуктов, разработанных компанией  «Физикон». Вид интерактивных демонстраций можно, в свою очередь, разделить на два подвида:

1) Видео интерактивные демонстрации. Вероятно, один из самых простых  способов получения движущегося  изображения на компьютере является  съемка реальных объектов на  видеокамеру. Возможности просмотра  стандартные для программ просмотра  видео. Применение целесообразно  для показа реальных экспериментов. Минусом является большой объем получаемого файла.

2) Анимационные интерактивные демонстрации. Анимационная интерактивная демонстрация представлена в виде последовательности заранее сформированных кадров. Кадры, как правило, представлены в виде растровых изображений. По принципу воспроизведения анимационные интерактивные демонстрации отличаются от видео только наличием собственной панели управления. В отличие от видео, позволяют визуализировать процессы, недоступных для съемки с помощью видёокамеры.

3) Моделируемые интерактивные демонстрации. В основе моделируемых интерактивных демонстраций лежит математическое описание поведения изображаемых объектов. Это позволяет отображать на экране не фиксированную последовательность кадров, а изображение, зависящее от действий пользователя

1.2.2 Простые модели. Наиболее часто встречающийся вид моделей. Простая модель представляет собой, как правило, модель одной лабораторной работы. Объединенные по некоторому признаку, простые модели представляют собой набор лабораторных работ, которые являются полноценной виртуальной компьютерной лабораторией.

Распространенность такого вида лабораторий  обоснована относительной простотой их создания, так как рассматривается один несложный процесс, описываемый одной или двумя математическими формулами, а различные лабораторные работы могут создаваться независимо разными программистами.

При этом следует учитывать, что  минусами подхода являются:

- сложность масштабирования: для  добавления в курс новой лабораторной  работы необходимо привлекать  программиста, создавать новую модель  практически с нуля;

- невозможность комбинирования  моделей: две модели из различных  лабораторных работ являются полностью независимыми и не могут взаимодействовать, описывая новое явление;

- программы этого вида, как правило,  не дают обучаемому полной свободы действий.

Большинство небольших проектов лишено поддержки изготовителя, например, является результатом выполнения курсовых и дипломных работ.

1.2.3 Универсальные лаборатории. Универсальные компьютерные лаборатории являются сложными моделирующими системами, в основе функционирования которых лежит мощный математический аппарат.

Универсальность таких систем обеспечивается системным подходом к моделированию и разработке моделей. Такие виртуальные компьютерные лаборатории могут быть близки по своим возможностям к программам, используемым для реальных научных или производственных расчетов.

Особенностью универсальных лабораторий  является ярко выраженный компонентный подход и продвинутые средства вывода, обработки и сохранения результатов моделирования: графики‚ различные виды таблиц и выборок результатов. Разработка универсальных лабораторий ведется группами опытных программистов, часто как побочный или пробный продукт при создании моделирующей системы научного или производственного назначения.

Преимуществами универсальных  компьютерных лабораторий являются:

- простота масштабирования: в  состав универсальных лабораторий  входят средства по добавлению  новых компонентов;

- возможность объединения компонентов  для построения большого количествамоделей различных экспериментов компьютерных лабораторий являются следующие системы.

Каждая лабораторная работа сопровождается описанием теоретической части  и инструкциями по выполнению. База данных лаборатории позволяет вводить  описания новых веществ и реакций, создавать новые лабораторные работы в режиме конструктора.

В данной главе была приведена  классификация различных форм организации виртуальных лабораторий. Их анализ показал, что ученые имеют возможность проводить эксперименты с помощью реальных или виртуальных инструментов и приборов в реальных или виртуальных лабораториях с реальным исследуемым объектом или его алгоритмизации. Причем возможны различные конфигурации этих возможностей. Однако выбор того или иного варианта организации виртуальной лаборатории определяется, многими факторами, и, прежде всего, классом задач, для решения которых предназначения лаборатория.

 Большую роль в  выборе конфигурации играет и предметная область, для которой она предназначена. Поскольку в рамках разрабатываемой виртуальной лаборатории рассматривается широкий класс моделей алгоритмов, описывающие сложные объекты, процессы или явления, то в нашем случае в общий смысл понятия виртуальной лаборатории в компьютерной технологии вкладывается следующее: виртуальная лаборатория представляет собой программный комплекс, действующий через Internet в режиме online, обеспечивающий удаленному пользователю взаимодействие с алгоритмическими моделями изучаемых объектов.

Далее были сформулированы основные требования к программному комплексу. Среди них имеются требования, предъявляемые к организации структуры программы и визуализации результатов, к функционированию лаборатории относительно различных аппаратных платформ и операционных систем, соответствию программы техническим требованиям сервера, к совместимости с программным обеспечением различных фирм и разработчиков, к динамичности программы, к многопользовательскому режиму, к адекватности входных и выходных параметров, к возможностям анализа состояния системы и другие

.Выполнение выше перечисленных требований при разработке программного комплекса дает необходимые и достаточные условия для построения виртуальной вычислительной среды, способной решать задачи предметной области в удаленном режиме.

В заключение главы проведен обзор основных существующих на сегодняшний день архитектур виртуальных сред, действующих в удаленном режиме. На основе сформулированных требований и сформулированного определения виртуальной лаборатории в дальнейшем будет сделан выбор инструментального средства для реализации программного комплекса. Это автоматически определит архитектуру для лаборатории HTML-CGI. Такая архитектура не использует ресурсы компьютера удаленного пользователя и не требует установки никакого дополнительного программного обеспечения. Пользователь взаимодействует с программой посредством web-обозревателя. Однако использование данной архитектуры наталкивает, пожалуй, на единственный ее недостаток - отсутствие непосредственной интерактивности приложения. Поэтому одной из задач настоящей работы является устранение данной проблемы.