Лабораторный практикум по физике с удаленным доступом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лабораторный практикум по физике с удаленным доступом

Д.А. Череповский, Е.Ю. Стригин Кубанский государственный технологический университет

Современные информационно-компьютерные технологии (ИКТ) способны обеспечить передачу знаний и доступ к разнообразной учебной информации наравне, а иногда и эффективнее, чем традиционные средства обучения.

В Кубанском государственном технологическом университете (КубГТУ) на кафедре физики ведутся работы по созданию телекоммуникационного учебно-методического комплекса (ТУМК) по физике, имеющего модульную структуру.

В данной статье мы хотим уделить основное внимание модулю ТУМК, отвечающему за проведение лабораторных работ (рис. 1), поскольку это особенно важно для специальностей, где обучение физике не может быть оторвано от технической базы, так как студент технического ВУЗа должен иметь возможность воочию убедиться в справедливости законов физики, а также иметь полную информацию о способах технической реализации той или иной лабораторной установки.

Рис. 1. Состав блока лабораторных работ в структуре ТУМК

Традиционные лабораторные работы представляют собой практическое занятие, проводимое в реальных условиях с функционирующей лабораторной установкой.

Виртуальные лабораторные работы представляют собой имитационную компьютерную модель реальной лабораторной установки, заменяющей натурный эксперимент.

Лабораторные работы с удаленным доступом к реальным объектам представляют собой такой режим функционирования системы автоматизированного лабораторного практикума, при котором работа с объектом осуществляется с компьютера, удаленного на сколь угодно большое расстояние от места размещения самого объекта.

Анализ описанных выше типов лабораторных работ представлен в таблице 1.

Таблица 1

Исходя из того, что лабораторные установки, особенно дорогостоящие, располагаются в главном корпусе ВУЗа, то подход к проведению лабораторных работ с удаленным компьютерным доступом дает возможность использования этих же установок и многочисленным филиалам ВУЗа. Кроме того, этот способ способствует приобщению студентов к новым компьютерным технологиям, при этом сама лабораторная работа выполняется на реальной установке.

В Кубанском государственном технологическом университете на кафедре физики разработаны лабораторные практикумы с удаленным доступом (Стригин Е.Ю.). В качестве примера рассмотрим лабораторный практикум с удаленным доступом по изучению «Дифракции Фраунгофера».

Связь удаленного пользователя с автоматизированным стендом осуществляется через сеть (Internet/Intranet). Клиентский и управляющий стендом компьютеры подключаются к ней с помощью сетевых адаптеров. Управляющий компьютер и Web-сервер разделены (рис. 2).

Рис. 2. Схема лаборатории удаленного доступа и взаимодействие участников процесса обучения

В этом случае подсистема телекоммуникаций размещается на Web-сервере и работа с удаленным пользователем осуществляется в сети Internet/Intranet по протоколу TCP/IP. Web-сервер связан с управляющим компьютером локальной сетью, а обмен здесь осуществляется с использованием другого протокола. Все операции обмена со стендом происходят через специальную резидентную программу. При случайном разрыве связи удаленного клиента с сервером управляющий компьютер продолжает выполнение эксперимента по условиям, заданным пользователем, и режим работы стенда не нарушается.

Аппаратную основу лабораторного стенда составляют:

1. Лазерный диод (красного цвета).

2. Дифракционная решетка с периодом 10^-5м.

3. Оптическая скамья.

4. Юстировочная подставка.

5. Экран.

6. Блок управления на базе микроконтроллера ATMEGA16.

7. Блок связи с компьютером на базе драйвера MAX 232.

8. Блок перемещения фотодатчика ФД26.

Схема наблюдения дифракции Фраунгофера приводится на рис. 3.

Рис. 3. Схема наблюдения дифракции Фраунгофера

Установка собирается на оптической скамье (3) длиной 0,5 м. Свет от источника света(1) попадает на дифракционную решетку(2). Спектр, полученный в результате дифракции визуально наблюдается на экране, расположеном на расстоянии L>> (2г)²/, где 2r - период дифракционной решетки. Данное условие обеспечивает параллельность пучка и освобождает от использования линзы. Блок перемещения с установленным фотодиодом находится перед экраном, на расстоянии 5 см. Электрический сигнал с ФД, однозначно связанный с интенсивностью светового потока, поступает на вход канала измерения - в усилитель постоянного тока. Результат отображается на шкале цифрового вольтметра, являющегося одновременно и аналогово-цифровым преобразователем, а затем через блок связи с компьютером, поступает в ЭВМ. Для сканирования спектра используется блок перемещения, основой которого является шаговый двигатель, передвигающий ФД и вырезающий, таким образом, в плоскости его выходной щели требуемый участок спектра.

При создании лаборатории удаленного доступа задача с самого начала ставилась так, чтобы удаленный пользователь не только получал результаты данного эксперимента, но и мог активно изменять условия его проведения, а режимы эксперимента были индивидуальными для каждого студента. Предусматривались также тестирование пользователей перед допуском к удаленному пульту управления стендом и возможность контроля правильности обработки данных преподавателем, который находится вместе со студентом на удаленном рабочем месте пользователя. Пользователь с удаленного компьютера, используя соответствующие протоколы обмена, через сеть Internet/Intranet отправляет необходимые команды на Web-сервер, обслуживающий экспериментальный стенд, программирует условия опыта, инициирует его проведение через управляющий компьютер, получает и визуализирует полученные результаты.

Система включает наглядные и простые в усвоении методические пособия, необходимые для подготовки к выполнению лабораторной работы.

Исходя из перечисленных требований, автоматизированный лабораторный практикум имеет модульную структуру, представленную на рис. 4, а назначение каждого модуля описано в таблице 2.

Рис. 4. Структура автоматизированного лабораторного практикума с удаленным доступом

удаленный доступ лабораторный практикум

Таблица 2

Таким образом, представленный лабораторный практикум удаленного доступа включает в себя полное методическое обеспечение, которое позволяет удаленному пользователю:

1) ознакомиться с теоретическими основами, методикой измерений и автоматизированным экспериментальным стендом, связанным с компьютером специальным устройством сопряжения;

2) проводить тестирование удаленных пользователей, чтобы выявить качество усвоения методических материалов перед допуском к активным экспериментам;

3) формировать удаленным пользователям в интерактивном режиме программу активного эксперимента;

4) проводить проверку осуществимости заданных условий эксперимента и выполнять активные опыты в соответствии со сформированной удаленным пользователем программой эксперимента;

5) предоставлять дополнительный сервис удаленному преподавателю для контроля за правильностью обработки студентами первичных результатов эксперимента.

Описанный лабораторный практикум успешно применяется при обучении физике студентов КубГТУ заочной и дистанционной форм обучения.

Размещено на Allbest.ru