Принципы создания виртуальных лабораторий в инженерном образовании

В Дистанционной форме обучения построение лабораторных практикумов принципиально отличается от традиционных. Студент должен иметь лабораторию в домашних условиях. Одним из новых направлений является создание автоматизированных виртуальных лабораторий с удалённым доступом. Здесь слово «виртуальный» не означает демонстрацию модели или симуляцию эксперимента, оно значит лишь то, что панель управления лабораторного стенда заменена на компьютерную визуализацию, то есть ручки управления приборов и индикаторы «нарисованы» на экране монитора студента, а измерительное оборудование является реальным.

Необходимость создания таких виртуальных лабораторий обусловлена тем, что инженерное образование предполагает подготовку специалистов-практиков, имеющих навыки работы с приборами, а также для экспериментального закрепления пройденного материала. Лаборатории с удалённым доступом призваны не только дублировать лабораторный практикум очного обучения, но и позволить работать с уникальным дорогостоящим оборудованием, ставить реальные эксперименты из любой точки земного шара. Также может быть реализована возможность работы нескольких студентов за одним лабораторным стендом одновременно.

В промышленности уже давно наблюдаются тенденции автоматизации производства. Первым шагом стало помещение органов управления цехового оборудования на единую контрольную панель. Следующий шаг — использование в качестве управляющего элемента в производстве ЭВМ, а её дисплей стал контрольной панелью. Благодаря использованию ЭВМ нет необходимости оператору работать непосредственно в цеху, достаточно объединить ЭВМ оператора и ЭВМ сбора и обработки данных в локальную сеть. Тенденция такова, что в скором будущем оператор сможет работать не выходя из дома, через сеть Интернет.

Аналогичные принципы разумно использовать и при построении виртуальных лабораторий с удалённым доступом. Структурная схема такой лаборатории выглядит следующим образом:

Главным звеном системы является некая экспериментальная установка (изучаемое устройство или физический процесс). Информация о протекающем процессе поступает в систему сбора и обработки данных при помощи набора датчиков, преобразующих измеряемые величины в напряжение. Эта система, как правило, представляет собой микропроцессор, управляющий многоканальным АЦП.

Далее оцифрованная информация поступает в компьютер посредством какого-либо интерфейса: COM, LPT, USB, или даже PCI. Выбор интерфейса определяется из соображений скорости (зависящей от объёма передаваемых данных), сложности технической и программной реализаций, стоимости необходимых компонентов.

Дальнейшую обработку данных (их структурирование, анализ, подготовка для пересылки клиенту) производит программное обеспечение (ПО) компьютера-сервера. Затем посредством общепринятого в Интернете протокола гарантированной доставки TCP/IP данные передаются на компьютер-клиент, где они в специально запущенной программе отображаются на экране в виде показаний индикаторов и графиков на виртуальных приборах, внешне схожих с реальными физическими приборами.

В общем случае у пользователя должна быть возможность изменять условия эксперимента (или режимы работы исследуемого прибора). Для этого на экране у пользователя находятся органы управления (регуляторы, переключатели и т.д.). Клиентская программа отслеживает их изменение пользователем и посылает соответствующий запрос. Запрос обрабатывается ПО сервера, и в случае допустимости требований посылается соответствующая команда в систему управления. Система управления может представлять собой набор ЦАП, каких-либо механических приводов, коммутирующих ключей и т.д., благодаря которым изменяются параметры исследуемой системы.

Для разработки такой системы необходимо решить следующие задачи:

• постановка цели виртуальной лаборатории;
• выбор интерфейса;
• выбор микроконтроллера, датчиков и, в случае необходимости, управляющих элементов;
• разработка протокола передачи данных микроконтроллер — компьютер-сервер;
• разработка протокола передачи данных между клиентом и сервером.

В соответствии с этими принципами в лаборатории электронных средств обучения СибГУТИ (ЛЭСО) нами был разработан и внедрён в процесс обучения комплекс лабораторных работ по курсу «Физические основы электроники», включающий в себя лабораторные работы по исследованию характеристик полупроводниковых диодов, биполярных и полевых транзисторов и в тестовом режиме запущен комплекс лабораторных работ по изучению микроконтроллеров. На данный момнт все лабораторные работы доступны для свободного выполнения. Пробуйте, выполняйте, а свои отзывы шлите нам, мы будем рады конструктивной критике.