Информационные технологии в физическом и технологическом эксперименте

Размещено на http://www.allbest.ru/

Информационные технологии в физическом и технологическом эксперименте

А.А. Карачёв,

В.В. Агафонцев,

В.В. Ахмедьянов,

А.Н. Воробьёв

Существующие в настоящее время информационные технологии позволяют обеспечить выполнение учебного физического и технологического эксперимента как в автоматизированном, так и в полуавтоматизированном варианте. Ниже, для краткости, будем называть технические средства, ориентированные на выполнение учебного физического или технологического эксперимента, общим термином - экспериментальный стенд. Как для автоматизированного, так и для полуавтоматизированного варианта экспериментального стенда главная задача использования информационных технологий состоит в том, чтобы оперативно передать в вычислительную среду информацию, снимаемую с датчиков измерений и (в идеале) в реальном масштабе времени обеспечить последующую обработку этой информации. Решение данной задачи современными средствами информационных технологий предполагает:

автоматический перевод значений физических величин, снимаемых с датчиков измерений, из аналоговой формы в цифровую;

автоматическую передачу цифровой информации в вычислительную среду; вычислительный информация датчик

автоматическое накопление и обработку принятой информации.

В автоматизированном варианте экспериментального стенда управление исполнительными механизмами, задающими желаемое состояние экспериментального стенда, выполняется автоматически, точнее, программируется. Наиболее известной отечественной реализацией автоматизированного варианта экспериментального стенда является автоматизированный лабораторный практикум (АЛП), созданный в МГТУ им. Н.Э. Баумана группой разработчиков под руководством профессора А.М. Зимина [1, 2]. Аппаратная среда реализации АЛП включает в себя ЭВМ (LAB-сервер), цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), исполнительные механизмы, экспериментальный стенд, датчики, аппаратуру предварительной обработки сигналов (АПОС), нормализаторы, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), устройство сопряжения с объектом (УСО). В принципе, аппаратная среда такой конфигурации во многих случаях позволяет осуществить на ближнем компьютерном доступе управляемый физический и технологический эксперимент, протекающий в реальном времени. Важным достоинством АЛП является то, что он может быть реализован в варианте удалённого компьютерного доступа - это "такой режим функционирования АЛП, при котором работа с физическим объектом осуществляется с компьютера, удалённого на сколь угодно большое расстояние от места размещения самого объекта. Для краткости обозначения используется аббревиатура АЛП УД" [2]. Реализация удалённого доступа предполагает использование WEB-сервера. Очевидно, что "применение АЛП УД целесообразно не только в рамках дистанционного и открытого образования, но и при использовании традиционных очных форм проведения учебного процесса" [2].

В полуавтоматизированном варианте экспериментального стенда управление исполнительными механизмами, задающими желаемое состояние экспериментального стенда, осуществляется оператором (то есть вручную), а считывание информации с датчиков экспериментального стенда выполняется автоматически. Известен полуавтоматизированный вариант экспериментального стенда, представленного известной лабораторией «АРХИМЕД», широко используемой для комплектования кабинетов физики средних общеобразовательных школ. В названной лаборатории информация от датчиков экспериментального стенда с помощью программы ImagiProbe автоматически записывается в карманный персональный компьютер (КПК) Palm, обрабатывается и может быть отображена на его дисплее в цифровом и (или) графическом виде. Затем КПК Palm отключается от экспериментального стенда и электрически (с помощью шлейфа) подключается к персональному компьютеру (ПК). После этого с помощью процедуры HotSync осуществляется перепись данных из Palm на ПК и последующая их обработка программой Multilab [3, 4]. Главный архитектурный недостаток лаборатории «АРХИМЕД» состоит в необходимости перекоммутации устройств, что выводит процесс обработки информации при удалённом доступе из реального времени и, следовательно, делает проблематичным реализацию управляемого физического и технологического эксперимента. С другой стороны, использование КПК Palm вместо LAB-сервера заставляет задуматься над поиском оптимальных вычислительных мощностей, обеспечивающих обслуживание экспериментального стенда.

Сопоставляя (с позиции пользователя) кратко описанные автоматизированный и полуавтоматизированный варианты экспериментального стенда, можно отметить:

техническую сложность автоматизированного варианта, из чего вытекает целесообразность его использования для доступа к "уникальным стендам академических и отраслевых научных организаций" [2], что особенно целесообразно для высшей школы;

техническую простоту полуавтоматизированного варианта, из чего следует целесообразность его применения прежде всего в учреждениях общего среднего образования.

Рассмотрим предложенную авторами аппаратурно-программную среду "Intelcon"(рис. 1), являющуюся в настоящее время полуавтоматизированным вариантом экспериментального стенда, но имеющую потенциальные возможности автоматизированного варианта. Отметим, что её организация и функционирование описаны в [5]; в данной работе сделан акцент на программной стороне.

Аппаратурно-программная среда (АПС) "Intelcon" обеспечивает:

1) автоматическое снятие данных с работающей физической или технологической установки, передачу этих данных по «короткому» (маломощному) радиоканалу в персональный компьютер (ПК) с последующим выходом в ИНТЕРНЕТ для передачи снятых данных от передающей к приёмной стороне в реальном масштабе времени (с учётом алгоритма Нагля);

2) отображение принятой информации на мониторах (экранах) принимающей стороны, либо в варианте виртуального осциллографа (т.е. в графической форме), либо в форме массива данных, которые могут конвертироваться в популярную электронную таблицу Еxcel и обрабатываться её инструментарием. Отметим, что и в первом, и во втором случае осуществляется сохранение и просмотр информации средствами графического интерфейса пользователя ОС Windows;

3) возможность передачи управляющей информации от персонального компьютера по «короткому» (маломощному) радиоканалу на объект управления, которым может быть физическая или технологическая установка (в том числе и движущаяся). Это свойство позволяет использовать аппаратурно-программную среду в управляемом физическом и технологическом эксперименте.

Выше отмечалось, что в аппаратурно-программной среде "Intelcon" используется «короткий» (маломощный) радиоканал. Трансивер радиоканала работает на частоте 433 МГц. Выбор такой частоты обусловлен документом Радиочастотного центра «О выделении частот 433,075-434,775 МГц гражданского диапазона для маломощных радиостанций и прочих излучающих устройств с мощностью не выше 10 МВт. Класс излучения 16K0F3E» от 06.12.2004 г. №04-03-04-001. В документе разъяснено, что подобные излучающие устройства РАЗРЕШЕНЫ к использованию в гражданских целях и конструкторско-творческой деятельности без дополнительных разрешающих документов.

Рассмотрим наиболее интересную часть аппаратурно-программной среды "Intelcon", представленную компьютерной программой обработки информации. После запуска программы на экране появляется стартовое окно программы INTELCON (рис. 2), в котором спозиционирован курсор. В данном окне можно набрать с клавиатуры символьную информацию (в том числе и команды управления). На рис. 2 показано окно после набора текста.

Щелчок по кнопке "Отправить" обеспечивает передачу информации на блок PIC-контроллера и её отображение на жидкокристаллическом индикаторе. Этот режим можно использовать для демонстрации принципа пейджинговой связи, а также для передачи команд управления на физические или технологические установки.

Рассмотрим приём информации от экспериментальной установки. Программа INTELCON обеспечивает два режима обработки и вывода на экран монитора принятой информации: режим виртуального осциллографа и режим массива данных. На рис. 3 показан езультат работы режима виртуального осциллографа для физической установки, представляющей собой маятник затухающих колебаний.

Для любой точки полученной осциллограммы простыми манипуляциями с вкладками можно найти числовое значение. Выполняется и обратная операция: по числовому значению показывается соответствующая точка на осциллограмме.

В стандартных соглашениях с ОС Windows можно выполнять любые операции над файлами, то есть сохранять информацию, удалять и т.д.

Рассмотрим работу программы INTELCON в режиме приёма массива данных от экспериментальной установки. Открытием соответствующих вкладок пользователем создаётся таблица измерений. В таблице задаются необходимое количество и названия столбцов с параметрами величин, а также число строк, соответствующее числу измерений. Но приём данных начнётся после того, как блок PIC-контроллера с радиомодемом будет переведён в режим приёма информации от экспериментального стенда. После этого блок PIC-контроллера приступит к выдаче информации в радиоканал, а на принимающем ПК программа INTELCON начнёт автоматическое заполнение таблицы. На рис. 4 приведён пример заполнения таблицы для физической установки прецизионного измерения временных интервалов при поступательном движении твёрдых тел (в данном случае измерялось время падения стального шарика с заданной высоты с нулевой начальной скоростью).

После заполнения последней строки таблицы приём данных автоматически завершается и осуществляется конвертирование данных в популярную электронную таблицу Excel (рис. 5).

Рассмотрим работу аппаратурно-программной среды при удалённом доступе. Целесообразность проведения лабораторных работ при условии удалённого доступа хорошо изложена в [6] и на портале http://lud.bmstu.ru/metodica.htm.

Применительно к физическому и технологическому обучению в средней общеобразовательной школе можно добавить следующее.

1. Во многих случаях станет необязательным в каждой школе содержать дорогостоящую лабораторную базу (по крайней мере, в части физического и технологического эксперимента) и высококвалифицированный обслуживающий технический персонал. В то же время в школах на лекционно-лабораторных занятиях можно обеспечить удалённый доступ (через Интернет) к современной материально-технической базе и, следовательно, вести обучение "в ногу со временем".

2. Использование удалённого доступа на уроках физики и технологии в средней общеобразовательной школе явится начальным этапом приобщения учащихся к современному техногенному миру и, в частности, к автоматизированным лабораторным практикумам удалённого доступа типа АЛП УД разработки МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Для работы АПС "Intelcon" при удалённом доступе на компьютерах принимающей стороны (на ПК учителя и на ПК учеников) должна быть установлена сетевая версия программы INTELCON, занимающая 987 Кбайт. После запуска программы на каждом из ПК простыми манипуляциями осуществляется её настройка на режим "Приём по сети". Принимающая сторона готова к приёму данных.

На передающей стороне после запуска программы INTELCON и начальной установки блока PIC-контроллера в исходное состояние передающая сторона готова к передаче данных. В процессе передачи каждое измерение немедленно передаётся на ПК, а он, в свою очередь, транслирует это каждое измерение в сеть Интернет. Таким образом, с точностью до алгоритма Нагля при снятии информации с экспериментального стенда обеспечивается режим реального времени. Для достижения эффекта живого общения между передающей и принимающей сторонами параллельно с программой INTELCON запускается программа типа "Skype". Через эту программу передаётся видеоизображение работающего экспериментального стенда, ведётся в режиме диалога всё речевое общение между передающей и принимающей сторонами. Именно по такой схеме 6 декабря 2006 года в профессиональном лицее №15 г. Пскова, а 7 декабря - в средней общеобразовательной школе посёлка городского типа Пыталово (Псковская область) были проведены открытые уроки по физике. В ходе уроков учащиеся через удалённый доступ снимали информацию с работающих физических установок, находящихся в научно-технической лаборатории Филиала Санкт-Петербургского государственного инженерно-экономического университета в г. Пскове. Видеоизображение экспериментальных установок (физической установки для прецизионного измерения времени падения стального шарика и физической установки "Математический маятник") через ПК учителя выводилось на большой экран. В начале занятия лаборант на передающем конце в форме диалога рассказал об этих установках. Затем, в соответствии с запросом приёмной стороны, устанавливал их в заданное исходное состояние, обеспечивающее последующий автоматический съём данных. Ученики видели на большом экране работающую физическую установку, а на своих мониторах - снимаемые с установки данные, поступающие в реальном времени. Проведённые занятия показали, что хорошее качество связи обеспечивается при пропускной способности Интернет-канала от 256 Кбит/сек.

Выше рассмотрена одна сторона работы АПС "Intelcon", связанная со снятием данных с экспериментальной установки. В настоящее время разработчики приступили к решению задачи, связанной с управлением через удалённый доступ технологическими установками. Так, в настоящее время завершается создание графического интерфейса для задания программы работы прецизионного координатно-сверлильного станка. Эта программа от ПК-сервера через Интернет будет передаваться на ПК клиента, управляющего станком. Точнее, данный ПК будет управлять станком не напрямую, а через PIC-контроллер, который непосредственно взаимодействует со станком. Контроллер выступает в качестве буферизирующего устройства, получающего от ПК клиента программу сверления по мере необходимости (то есть как бы всё время подпитываясь данными).

Очевидно, что постановка и решение в процессе школьного обучения задач подобной направленности имеет большое практическое значение, так как создаст хорошие предпосылки для подготовки в процессе последующего профессионального образования специалистов современного уровня: рабочих, инженеров, исследователей.

Рис. 1. Структурная схема аппаратурно-программной среды "Intelcon

Рис. 2. Вид стартового окна АПС "Intelcon"

Рис. 3. Осциллограмма с таблицей характерных точек после набора сообщения

Рис. 4. Таблица измерений времени падения шарика

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Конвертирование таблицы из программы INTELCON в Excel с заданной высоты с нулевой начальной скоростью

Литература

1. Зимин А.М., Букеткин Б.В., Почуев Л.П., Шумов А.В., Щепетинщиков О.А. Учебная Интернет-лаборатория "Испытания материалов"// Информационные технологии. - 2006. - №10.

2. Портал http://lud.bmstu.ru/

3. Кирюшкина В.К. Методика обучения работе с цифровыми лабораториями «АРХИМЕД» // Современный физический практикум. Труды VIII Международной учебно-методической конференции. Москва, 22 июня-24 июня 2004 г. - М.: Издательский дом Московского физического общества, 2004.

4. Тимошин М.Г., Чудов В.Л., Щеглова О.А., Щеглов С.А. Применение цифровой лаборатории «АРХИМЕД» в школьном лабораторном практикуме // Современный физический практикум. Труды VIII Международной учебно-методической конференции. Москва, 22 июня - 24 июня 2004 г. - М.: Издательский дом Московского физического общества, 2004.

5. Ахмедьянов В.В. Физический эксперимент через Интернет // «ИННОВАЦИИ». - 2007. - №5.

6. Карачёв А.А., Агафонцев В.В. Использование возможностей дистанционного обучения для построения открытой системы технологического образования// Материалы международной заочной научно-практической конференции «Непрерывное образование учителя технологии: от традиций к инновациям» - Ульяновск, 4 сентября 2006 г.

Размещено на Allbest.ru