ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ ВИРТУАЛЬНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ
ЛАБОРАТОРИЙ И МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 6
1.1 Виртуальная лаборатория и её место в образовательном процессе 6
1.2 Облачные технологии и их применение 10
1.3 Сравнение и анализ существующих виртуальных лабораторий 15
1.4 Анализ виртуальных физических моделей, подлежащих разработке 20
ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И ИНФРАСТРУКТУРА
ВИРТУАЛЬНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ 24
2.1 Математическая модель движения частицы в однородном поле
конденсатора 24
2.2 Математическое моделирование краевых эффектов плоского
конденсатора 25
2.3 Математическая модель двойного маятника 33
2.4 Математическое моделирование обратного мятника на подвижной
платформе 37
2.5 ПИД-регулятор 39
2.6 Подход к разработке ИТ-инфраструктуры виртуальной лаборатории 42
ГЛАВА 3 РЕАЛИЗАЦИЯ ИТ-ИНФРАСТРУКТУРЫ И МАТЕМАТИЧЕСКИХ
МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ОБЛАЧНОЙ ВИРТУАЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИИ 49
3.1 Выбор и обоснование технологий 49
3.2 Разработка инфраструктуры виртуальной лаборатории 54
3.3 Разработка инфраструктуры для работы с виртуальными моделями 62
3.4 Виртуальные модели 68
3.5 Тестирование удобства использования 73
3.6 Оценка затрат на разработку 83
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 85
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 87
Математическое моделирование физических процессов - один из способов обучения, помогающий глубже разобраться в сущности различных явлений. Далеко не все учебные эксперименты можно или нужно проводить в реальных условиях. Технологии компьютерного моделирования достаточно быстро пришли в область естествознания. Работа не с самим явлением, а с его моделью дает возможность безболезненно, относительно быстро и без существенных затрат исследовать его свойства и поведение в любых ситуациях [5].
На сегодняшний день не так много русскоязычных информационных ресурсов, которые позволяют качественно проводить различные формы учебных занятий по физике в университете. В аудиториях не хватает лабораторного оборудования и с каждым днем растет потребность предоставлять дистанционное обучение [8], поэтому разработка виртуальной физической лаборатории с удаленным доступом является актуальной. Реализация виртуальной лаборатории с помощью облачных вычислений - технологии распределённой обработки данных, в которой компьютерные ресурсы предоставляются пользователю как интернет-сервис, поднимает вопрос о том, как применить данные технологии, чтобы качественно и быстро предоставить рабочую площадку каждому пользователю.
Объектом исследования магистерской диссертации является изучение подхода к разработке виртуальной физической лаборатории на основе облачных технологий.
Предметом исследования является процесс построения виртуальной лаборатории для моделирования физических процессов в виртуальной среде на основе облачных технологий.
Научная гипотеза заключается в том, что подход к разработке, основанный на облачных технологиях, напрямую влияет на скорость разработки и удобство использования виртуальной лаборатории, а также сокращает временные и материальные средства на разработку.
Новизна работы заключается в построении нового подхода для реализации инфраструктуры виртуальных лабораторий и расширении сферы применения виртуальной лаборатории благодаря разработке альтернативного способа загрузки виртуальных моделей.
Практическая значимость диссертации заключается в том, что технология виртуальной лаборатории, позволяющая загружать, использовать и редактировать виртуальные модели, дорогостоящая и мало распространена, тогда как разработанная виртуальная лаборатория останется бесплатной и может применяться не только для демонстрации, но и для создания визуального редактора моделей в обучающих целях.
На защиту выносятся следующие положения:
- подход к разработке облачной виртуальной физической лаборатории, который следует набору практик разработки программного обеспечения DevOps с использованием прикладного программного обеспечения для создания облачных технологий;
- расширение применения функциональных возможностей виртуальной лаборатории и обеспечение их доступности пользователям благодаря технологии загрузки виртуальных математических моделей в обобщенном виде.
Цель работы - создание подхода к разработке виртуальной физической лаборатории на основе облачных технологий и применение его для реализации виртуальной лаборатории с примерами математических моделей физических процессов. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
- выбрать физические процессы для моделирования;
- разработать математические модели физических процессов;
- спроектировать подход к разработке виртуальной лаборатории;
- выбрать средства разработки и обосновать выбор;
- реализовать загрузку виртуальных моделей;
- описать примеры математических моделей для инфраструктуры виртуальной среды;
- оптимизировать инфраструктуру виртуальной лаборатории;
- реализовать виртуальную лабораторию, используя выбранные средства на основе спроектированного подхода и требований к данной реализации;
- протестировать готовую реализацию и дать оценку результатам.
Таким образом, были приведены основные положения магистерской диссертации и необходимо раскрыть их в следующих главах.
В ходе работы над магистерской диссертацией были проанализированы статьи, посвященные виртуальным лабораториям, которые показали, что использование облачных технологий для инфраструктуры виртуальной лаборатории оправдывает использование и обеспечивает возможностью расширять качество и количество сервисов, которые предоставляет виртуальная лаборатория.
Для создания виртуальных физических моделей были выведены необходимые математические формулы, а также построен математический аппарат для приближения моделей к реальности несколькими способами.
С использованием набора практик DevOps, основанным на представлении системы как совокупности сервисов, было выстроена и оптимизирована ИТ- инфраструктура виртуальной физической лаборатории в виде частного облака, а также разработан интерфейс, позволяющий обобщенно загружать виртуальные модели.
После всех этапов проектирования и разработки созданный веб-сервис виртуальной физической лаборатории был протестирован. В ходе тестирования стало ясно, что на данном этапе реализации инфраструктура и сама «Виртуальная физическая лаборатория» в виде частного облака соответствует удобствам использования как потенциальным разработчиком, создающим новые сервисы виртуальной лаборатории, так и пользователем системы, работающим с сервисами как с черным ящиком.
В результате работы над магистерской диссертацией был создан подход к разработке облачной виртуальной лаборатории и, с помощью этого подхода, была разработана виртуальная физическая лаборатория на основе облачных технологий с примерами математических моделей физических процессов.
С помощью разработанного подхода для создания многоуровневой инфраструктуры облачной виртуальной физической лаборатории, который следует набору практик разработки программного обеспечения DevOps с использованием прикладного программного обеспечения для построения облачных сервисов, виртуальная лаборатория приобретает такие свойства как:
-расширяемость с помощью нескольких строк кода;
-автоматическую сборку и тестирование;
-обособленную среду разработки;
-идентичное окружение для развертывания;
-удобство использования.
Данный подход к разработке инфраструктуры, основанный на использовании облачных технологий, позволит ускорить, облегчить и упростить разработку другой виртуальной лаборатории или любых сервисов, ориентированных на пользователей.
Дальнейшие развитие программного продукта вытекает из применения технологии загрузки виртуальных моделей для создания визуального редактора виртуальных моделей, также расширение библиотеки виртуальных моделей и набора функциональных возможностей для пользователей.
Разработанные подход, инфраструктура и программное обеспечение обладает практической значимостью в области прикладной математики и информатики.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
