С повсеместным переходом вузов на дистанционное и смешанное обучение тема онлайн-образовательных технологий стала особенно актуальной. Казалось бы, лабораторные работы невозможно проводить без физического доступа к оборудованию. Однако облачная платформа, которую разрабатывают на факультете программной инженерии и компьютерной техники (ПИиКТ), позволяет студентам, преподавателям и исследователям ИТМО получить удаленный доступ, работать на реальном или виртуальном лабораторном оборудовании из любого места 24/7 при наличии подходящего устройства и интернет-соединения. При этом работать могут одновременно десятки и сотни человек: технология предлагает групповой или, в перспективе, массовый доступ к оборудованию.

Сотрудники факультета ПИиКТ и его декан Павел Кустарев в рамках встречи проекта ITMO.Expert представили примеры трех виртуальных лабораторий, реализованных на базе платформ.

Павел Кустарев отмечает, что решения возникли не в связи с пандемией. Однако это обстоятельство стимулировало появление поддержки университета (в рамках программы «5-100») и реальных результатов в этом направлении.

«Опираясь на многолетние технические и технологические наработки, имеющиеся на факультете, практические компетенции сотрудников и активное участие студентов и аспирантов, удалось подготовить и начать внедрение в реальный учебный процесс первых лабораторий», ― говорит он.

Павел Кустарев
Павел Кустарев

На презентации руководители проектов представили три лаборатории, предназначенные для решения определенного класса задач: ITMO.cLAB — облачную лабораторию с удаленным доступом к физическому оборудованию, ITMO.IoT’S — виртуальную студию интернета вещей, и облачный стенд для изучения технологий разработки голосовых ассистентов ITMO.cVoAF.

Они позволяют получить доступ к лабораторному оборудованию ИТМО через интернет, создавать системы Интернета вещей в виртуальной студии из виртуальных устройств и датчиков и работать с технологиями распознавания речи, интегрируя голосовые сервисы в свои проекты.

Все три решения послужили демонстрацией возможностей разработанной платформы.

«Нужно понимать, что то, что мы представляем — это один из возможных вариантов использования платформ. Для ваших образовательных программ, дисциплин и исследовательских проектов может быть предложен, разработан и адаптирован свой вариант виртуальной лаборатории, построенный на данных платформах», — отмечает Павел Кустарев.

Облачная лаборатория ITMO.cLAB (ITMO’s Cloud Laboratory)

Интерфейс облачной лаборатории ITMO.cLAB
Интерфейс облачной лаборатории ITMO.cLAB

ITMO.cLAB — это сервис, который обеспечивает дистанционный доступ студентов и преподавателей к учебному лабораторному оборудованию с помощью ноутбука, планшета или смартфона. С его помощью можно выполнить лабораторную или курсовую, разработать программу для диплома, провести научное исследование или проверить свои идеи на практике удаленно на реальном оборудовании.

Решением могут пользоваться преподаватели и студенты ИТМО в рамках учебной программы, дипломники, практиканты, а при наличии договоренности с ИТМО — также слушатели онлайн-курсов, иностранные студенты и студенты других вузов.

  • Польза для студентов

По словам Аркадия Ключева, доцента факультета ПИиКТ и руководителя проекта по созданию ITMO.cLAB, применение такой лаборатории может повысить качество обучения ― не только дать удаленный доступ к оборудованию, но и ликвидировать очереди к нему.

«Система позволит проводить полноценные лабораторные работы, даже когда студенты находятся за пределами страны. Они могут делать лабораторные работы не только по расписанию, но и в любое другое время. Как вы знаете, в конце семестра появляется ажиотаж, появляется очередь к стендам по 10 человек. Эту проблему можно решить, обеспечив им круглосуточный доступ. Кроме того, централизованно можно снабжать студентов методической документацией, статьями и книгами», — говорит он.

  • Польза для преподавателей

Преподаватели смогут проводить полноценную лабораторную работу дистанционно, собирать в одном месте необходимую методическую документацию для студентов. Кроме того, в некоторых случаях за счет автоматизации обучения уменьшится время проверки лабораторных работ. Следить за их выполнением также можно будет с любого устройства.

Университет ИТМО
Университет ИТМО
  • Возможности платформы

Учебная инфраструктура состоит из журналов успеваемости, учебно-методической документации, контрольных тестов, архива работ студентов, модулей для проведения лабораторных работ и самого лабораторного оборудования и симуляторов, доступных удаленно.

Микросервисная архитектура платформы позволяет гибко менять и расширять систему. К ней можно добавлять новые компоненты для поддержки разнообразного оборудования и симуляторов, подключать к системе аппаратно-программные комплексы. Также ее можно расширять, подключая дополнительное оборудование — физические сервисы. От выделяемых вычислительных ресурсов зависит возможное количество пользователей, оно может достигать нескольких тысяч человек.

Кроме того, платформа позволяет удаленно загружать и запускать программное обеспечение пользователя на лабораторных стендах в ИТМО и исполнять программы пользователей на реальном оборудовании, максимально приближенном по своей организации к промышленным контроллерам.

ITMO.cLAB развернута в корпусе ИТМО на Биржевой, где к одному серверу подключены пока 4 учебных стенда. С октября 2020 года платформу используют в учебном процессе в рамках бакалаврского курса «Встроенные системы» и магистерского курса «Программное обеспечение встроенных систем» 170 студентов.

Также идут работы по интеграции в ITMO.cLAB теплофизической лаборатории TPLab для факультета низкотемпературной энергетики.

Вопросы о платформе можно направить руководителю проекта Аркадию Ключеву на адрес kluchev@itmo.ru.

Виртуальная студия интернета вещей ITMO.IoT’S (ITMO’s Internet of Things Studio)

Демонстрация профиля пользователя платформы ITMO.IoT’S
Демонстрация профиля пользователя платформы ITMO.IoT’S

ITMO.IoT’S — многофункциональный облачный сервис для дистанционного обучения студентов основам технологий Интернета вещей, для работы с которым нужен только браузер и выход в интернет.

Студия позволяет создавать и настраивать виртуальные датчики и контроллеры, дает возможность разрабатывать программы для виртуальных контроллеров (пока есть поддержка Arduino) и запускать облачные сервисы по обработке данных IoT. Систему создали студенты и аспиранты на базе платформы Яндекс.Облако под руководством заведующего лабораторией Интернета вещей факультета ПИиКТ Владислава Шматкова.

  • Основные возможности ITMO.IoT’S

Платформа обеспечивает как возможность компиляции и запуска программ для IoT-оборудования без реальных устройств в облачном сервисе, так и перенос разработанных программ на реальные контроллеры. Пока создаваемые студентами системы IoT состоят только из виртуальных компонентов, но уже идет работа по объединению с сервисами удаленного доступа к реальным устройствам, реализованным в лаборатории ITMO.cLAB.

Из средств поддержки образовательного процесса в ITMO.IoT’S встроен профиль студента, где он может получить информацию о текущих лабораторных работах, сроках их сдачи и своих достижениях. Проверка работ осуществляется в GitHub, куда студенты загружают свой код. Ссылку на репозиторий необходимо добавить в свой профиль.

Панель администратора позволяет загружать статьи, материалы и управлять правами пользователей.

IoT. Источник: shutterstock.com
IoT. Источник: shutterstock.com

Как и предыдущая лаборатория, ITMO.IoT’S масштабируема: в нее можно добавлять новые лабораторные работы, добавлять новые проекты и в целом расширять ее функционал.

«Мы изучаем основы Интернета вещей и пытаемся донести до студентов, как с этим можно работать: какие системы можно создать и какие устройства они могут использовать в своей практике. Ведь в системах IoT важны данные, а не только “железки”», — комментирует Владислав Шматков.

Скоро можно будет осуществлять взаимодействие оснащенных датчиками реальных и виртуальных устройств друг с другом, получать и обрабатывать в облаке информацию от них. Например, для создания системы «умного дома» или «умной энергосети».

В рамках презентации Владислав Фищенко, инженер-исследователь факультета ПИиКТ, продемонстрировал работу системы на примере создания датчика на Python 3.7, а также виртуального устройства, состоящего из датчика и виртуального контроллера Arduino.

Поскольку система находится в тестовом режиме, доступ к ней предоставляется по запросу. Его, как и все вопросы об использовании или перспективах виртуальной студии, можно направить на почту Владислава Шматкова shmatkovvlad@gmail.com.

Облачный стенд для изучения технологий разработки голосовых ассистентов ITMO.cVoAF (ITMO’s Cloud Voice Assistants Framework)

Консоль управления предыдущими запусками ASR — элемент интерфейса системы
Консоль управления предыдущими запусками ASR — элемент интерфейса системы

ITMO.cVoAF — это виртуальная лаборатория, предназначенная для изучения технологий распознавания речи. Она позволяет студентам изучать различные аспекты работы с системами ASR (Automatic Speech Recognition). В отличие от первых двух лабораторий, она в большей степени направлена на удаленное групповое использование сложных информационных технологий и программных комплексов.

«Зачастую студенты не имеют прямого доступа к программной системе, а тем более ― программно-аппаратному комплексу, который делал бы доступным изучение технологий распознавания речи и речевых интерфейсов. В частности, сами системы ASR часто являются проприетарными, а значит закрытыми и платными, либо открытыми и свободно распространяемыми, но сложными в инсталляции и использовании», — объясняет важность платформы руководитель проекта Николай Климов.

Распознавание речи. Источник: shutterstock.com
Распознавание речи. Источник: shutterstock.com

«Лаборатория имеет важное место в разработке компьютерных и программных систем — голосовые интерфейсы становятся неотъемлемым компонентом любых приложений. В массе разработчики программно-аппаратных решений не должны глубоко разбираться в технологиях ASR, но и использовать вообще не понимая — тоже не годится», — комментирует Павел Кустарев.

Поэтому создатели ITMO.cVoAF сократили технологические трудности, связанные с инсталляцией и освоением системам ASR, благодаря чему студенты смогут сконцентрироваться на выборе, настройке и использовании в своих системах функций ASR.

Среди функционала лаборатории:

  1. Создание произвольных наборов данных и их обогащения при помощи алгоритмов зашумления и обработки аудиоданных

  2. Оценка результатов распознавания речи

  3. Обучение ASR (формирование акустической модели) на подготовленных наборах данных

  4. Анализ результатов работы ASR при помощи специализированных метрик

Распознавание речи. Источник: shutterstock.com
Распознавание речи. Источник: shutterstock.com

Возможности лаборатории в рамках учебного процесса

Для студентов — это возможность удаленной работы через веб-интерфейс и авторизация в системе через сторонние популярные провайдеры аутентификации GitHub или Google, запись и добавление собственных датасетов, работа в изолированном окружении и подготовка и экспорт отчетов.

Для преподавателей предусмотрен личный кабинет с доступом к списку студентов по группам, просмотр хода и результатов выполнения лабораторных работ онлайн.

При разработке виртуальной лаборатории были использованы результаты совместных научно-исследовательских работ с компанией МТС, которые выполнялись под общим руководством Дмитрия Муромцева, доцента факультета ПИиКТ. В частности, система адаптирована к использованию технологий и оборудования записи речевых семплов в лаборатории разговорного интеллекта, развернутой компанией МТС на факультете ПИиКТ.

Дмитрий Муромцев
Дмитрий Муромцев

Тестовый доступ к системе ITMO.cVoAF можно запросить у Дмитрия Муромцева на mouromtsev@itmo.ru.

«Лабораторная работа — один из самых сложных видов учебной деятельности. Особенно сложно это реализовать в условиях дистанционного обучения. Мы не всегда можем достать дорогое оборудование. Универсальность виртуальных лабораторных компенсирует данные недостатки. Их можно относительно быстро апгрейдить и кастомизировать под задачу, обеспечить диагностику усвоения материала», — подвела итог модератор встречи, начальник управления качества образовательного процесса Ольга Елисеева.

Перейти к содержанию