Применение информационно-коммуникационных технологий в дистанционных лабораторных работах

Библиографическое описание статьи для цитирования:
Брацун Д. А., Зюзгин А. В., Колесниченко Л. И., Курдина Н. А., Путин Г. Ф. Применение информационно-коммуникационных технологий в дистанционных лабораторных работах // Научно-методический электронный журнал «Концепт». – 2012. – №9 (Сентябрь). – С. 51–55. – URL: http://e-koncept.ru/2012/12123.htm.
Аннотация. Рассмотрены вопросы создания и апробации экспериментальной установки по автоматическому управлению тепловой конвекцией жидкости, которая позволяет дистанционно выполнять лабораторные работы школьного и вузовского уровня. Новизна подхода заключается в разработке технологии дистанционного проведения исследования на лабораторном оборудовании в режиме реального времени. Актуальность обуславливается востребованностью у работодателей специалистов, компетентных в дистанционных методах контроля и сбора данных, а также организацией доступа учащихся средних и студентов высших учебных заведений к оборудованию и наработкам ведущих научных школ.
Раздел: Отдельные вопросы сферы образования
Комментарии
Нет комментариев
Оставить комментарий
Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы комментировать.
Текст статьи
Брацун Дмитрий Анатольевич, доктор физикоматематических наук, заведующий кафедрой теоретической физики и компьютерного моделирования ФГБОУ ВПО «Пермский государственный педагогическийуниверситет», г. Пермь

dmitribratsun@rambler.ru

Зюзгин Алексей Викторович, кандидат физикоматематических наук, доцент кафедры общей физики ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет», г. Пермь

alexey.zyuzgin@gmail.com

Колесниченко Любовь Ивановна,учитель физики СОШ №9 им. А. С. Пушкина с углубленным изучением предметов физикоматематического цикла, г. Пермь

КурдинаНаталья Анатольевна,директор СОШ №9 им. А.С. Пушкина с углубленным изучением предметов физикоматематического цикла, г. Пермьkurdinata26@mail.ru

Путин Геннадий Федорович,доктор физикоматематических наук, заведующий кафедрой общей физики ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет», г. Пермь

putin@psu.ru

Применениеинформационнокоммуникационных технологий в дистанционных лабораторных работах

Аннотация. Рассмотрены вопросы создания и апробации экспериментальной установки по автоматическому управлению тепловой конвекцией жидкости, которая позволяет дистанционно выполнять лабораторные работы школьного и вузовского уровня. Новизна подхода заключается в разработке технологии дистанционного проведения исследования на лабораторном оборудовании в режиме реального времени. Актуальность обуславливается востребованностью у работодателей специалистов, компетентных в дистанционных методах контроля и сбора данных, а также организацией доступа учащихся средних и студентов высших учебных заведений к оборудованию и наработкам ведущих научных школ.Ключевые слова: высшее образование, среднее образование, дистанционные лабораторные работы, информационнокоммуникационные технологии.

В настоящее время во многих исследовательских и промышленных отраслях актуальной задачей является внедрение и эксплуатация дистанционных систем регистрации и управления. Зачастую это связано с вопросами эффективности и безопасности технологических процессов или мониторинга и контроля природных явлений. Данная реальность, интеграция российского образования в мировой научный и образовательный процесс требуют от преподавателей включения в образовательные программы вопросов обучения дистанционным технологиям. Для углубления информационнокоммуникационной компетентности выпускников образовательных учреждений разных ступеней (от школы до вуза) представляется вполне разумным включать в имеющиеся практикумы дистанционно выполняемые лабораторные исследования. Применительно к высшему образованию, дистанционные технологии позволяют сформировать один из подходов к решению одной из базовых его проблем –применению в процессе обучения новейших научных и методических разработок ведущих научных школ страны. Так, например, Пермский государственный университет сначала участвовал в приоритетном национальном проекте «Образование», а затем получил статус национального исследовательского. Это привело к тому, что в лаборатории пермской гидродинамической научной школы поступило новейшее оборудование, на базе которого были созданы уникальные лабораторные установки для научных и учебных исследований. Дистанционные технологии позволили расширить круг пользователей, проходящих курсы лабораторных работ за счет студентов вузов и учащихся школ, не имеющих оборудование подобного класса. Отметим также, что актуализация компетентностного подхода в образовании подразумевает увеличение доли проектной, практикоориентированной деятельности обучающихся,для которой хорошим инструментом могут послужить обсуждаемые в данной публикации дистанционные исследования. Новизна предлагаемого подхода заключается в использовании не виртуальных измерительных приборов, компьютерных тренажеров, математических моделей и специализированных пакетов и средств программирования [1–3], а стандартных, широко распространенных программных и аппаратных средств, за исключением конвективной камеры и несложного управляющего экспериментом программного обеспечения.Рассмотрим теперь лабораторную установку. В качестве управляемой системы была выбрана прямоугольная конвективная петля (термосифон), представляющая собой (рис. 1) два вертикальных канала связанных перемычками и заполненных жидкостью. Они выполнялись в дюралюминиевом блоке с одной стороны накрытом плексигласовой пластиной для обеспечения наблюдений. Сверху и снизу располагались теплообменники, подключенные к цифровым струйным криотермостатам.



Рис. 1. Фотоизображение и схема термосифона

Известно, что конвективное течение в такой петле хорошо моделирует движения в замкнутых полостях [4], что важно для спецпрактикумов. В то же время система знакомит с такими общефизическими понятиями, как равновесие, кризис устойчивости, стационарное и колебательное движение, что важно для школьников и студентовнефизических специальностей.Для измерения интенсивности конвективного течения кювета была оборудована дифференциальной медьконстантановой термопарой 1, спаи которой выставлялись в центры каналов в их среднем поперечном сечении. При отсутствии течения спаи находились на одной изотерме, и термоЭДС термопары была равна нулю. Когда жидкость приходила в движение, между спаями возникала разность температур V, обусловленная тем, что по одному каналу поднималась нагретая жидкость, а по другому –опускалась холодная. ЭДС термопары 1, пропорциональная скорости этого движения, была принята нами за меру интенсивности конвективного течения. Спомощью дифференциальной медьконстантановой термопары 2, спаи которой находились в металлическом блоке вблизи перемычек междуканалами, измерялось падение температуры на длине каналов. Рассмотрим принцип управления состоянием конвективной системы. Известно, что отклонение градиента температуры от вертикали влияет на скорость и вид течения жидкости, а значит, дает возможность управлять последним. В связи с этим управление обычно осуществляется путем изменения взаимной ориентации продольного градиента температур и вектора ускорения свободного падения. Это происходило путем вращения термосифона вокруг горизонтальной оси (рис. 1). ЭДС термопары 1 подавалась на устройство сбора данных Термодат (рис. 2), сопряженное с компьютером.

Рис. 2. Схема лабораторной установки

Персональный компьютер (ПК)с помощью управляющей программы вычислял по нижеследующей формуле угол φи через устройство сопряжения управлял шаговым двигателем, поворачивавшим термосифон:= kV,где k–коэффициент усиления обратной связи; V–конвективное искажение равновесного профиля температуры в среднем горизонтальном сечении конвективной петли. Последовательность регулировочных циклов приводила к достижению цели управления –восстановлению механического равновесия или стабилизации желаемого вида течения. На описываемой установке впервые [5] экспериментально реализована динамическая стабилизация механического равновесия конвективной системы методом управления с обратной связью. Таким образом, используемый подход можно считать инновационным. В то же время в работе [6]показано,что эффективность управления сильно зависит от шумов и запаздывания управляющего воздействия, свойственных технологическим установкам. Поскольку программное обеспечение управляющего компьютера позволяет варьировать уровень шумов и время запаздывания, это серьезно расширяет спектр лабораторных работ, которые можно проводить на обсуждаемой установке.Дистанционное подключение удаленного компьютера к управляющему ПК лабораторной установки (рис. 2) осуществлялось через стандартный компонент линейки операционных систем Windows–удаленный рабочий стол. Эта технология позволяет перехватывать управление рабочим столом лабораторного компьютера и разворачивать его на экране компьютера удаленного пользователя в окне Windowsили полноэкранном режиме. В этом случае возникает полная иллюзия того, что вы являетесь пользователем управляющей лабораторной ЭВМ. В числе прочих возможностей пользователь получает полный доступ к программному обеспечению проведения эксперимента (см. правую часть схематического изображения удаленного компьютера на рис. 2), устройствам управляющего ПК и сопряженному с ним лабораторному оборудованию. Для визуального контроля около лабораторной установки устанавливалась интернетвидеокамера. Это устройство потоковой передачи видео через беспроводное подключение WiFiсоздает в сети Интернет сайт и осуществляет трансляцию на него видеосигнала. Помимо этогосайт служит вебинтерфейсом камеры, позволяющим изменять как пространственную ориентацию устройства, так и увеличение поля зрения (см. левую часть схематического изображения удаленного компьютера на рис.2). Удаленный пользователь, открыв на своем компьютере интернетбраузер и обратившись в адресной строке к IPадресу видеокамеры, может в реальном времени управлять областью захвата изображения видеоустройства и наблюдать «со стороны»за управляемой системой и лабораторной установкой.Во время удаленного выполнения лабораторной работы обмен сообщениями между пользователями, преподавателем и лаборантом осуществлялся с помощью IPвидеотелефонии почтовой службы Gmail. Расписание занятий, хранение и совместная обработка данных, создание отчетов удаленными пользователями обеспечивались облачными технологиями портала Гугл (календарь, документы и диск), подробнее эти вопросы рассмотрены в [7].Для апробации дистанционной лабораторной работыбыла выбрана пермская школа № 9 им. А.С. Пушкина с углублённым изучением предметов физикоматематического цикла, в связи с высоким уровнем образованности и инициативности учеников, их вовлеченности в реализацию обсуждаемого проекта, профессионализмом преподавателей и эффективным, инновационноориентированнымадминистрированием, обусловленным реализацией программы международного бакалавриата [8]. Удаленный компьютер (рис. 2) был развернут в кабинете физики и подключен к мультимедийной доске для удобства коллективной работы учеников. Экспериментальная установка находилась в лаборатории экспериментального исследования тепловой конвекции Пермского научнообразовательного центра кафедры общей физики Пермского государственного национального исследовательского университета(ПГНИУ). Ученики школы осуществили подключения по каналам глобальной сети к лабораторному управляющему компьютеру иинтернетвидеокамере, вывели их в два рядом расположенных на мультимедийной доске окна Windows(см. фрагмент «удаленный компьютер»на рис.2) и дистанционно провели экспериментальное исследование. Оно заключалось в том, что последовательно изменяя коэффициент усиления отрицательной обратной связи, они добились подавления конвективной циркуляции в термосифоне и стабилизации механического равновесия. Достижение цели управления контролировалось по осциллограмме термопары 1 (рис. 1) и видеоизображению каналов петли, выводимым на экран мультимедийной доски.Позже обсуждаемая работа также прошла апробацию в лабораторных практикумах «Гидромеханика невесомости», «Динамика жидкостей с особыми свойствами» и «Конвекция в замкнутых объемах» для студентов 3–5 курсов физического факультета по специализациям «Физическая гидродинамика» и «Теоретическая физика», а также «Физика атмосферы и океана» для студентов специализации «Метеорология»3 курса географического факультета ПГНИУ. В заключение отметим, что при апробации, дистанционно выполняемые лабораторные работы на обсуждаемой установке вызывали неизменный интерес обучаемых и позволяли им приобретать опыт и навыки использования пространственнораспределенных технологических систем и наращивать информационнокоммуникационную компетентность.Авторы благодарят учеников школы №9 Д. Агафонова, С. Мандрыкина и К.Остаповича, принявших решающее участие в создании вебинтерфейса лабораторной установки, И.С. Попова, системного администратора школы и проректора по учебной работе ПГНИУ С.О. Макарова, бывшего на момент апробации директором интернет центра ПГНИУ, сделавших эту работу возможной.

Ссылки на источники 1.Евдокимов Ю.К., Кирсанов А.Ю. Организация типовой дистанционной автоматизированной лаборатории с использованием LabVIEWтехнологий в техническом вузе//Сборник трудов Международной научнопрактической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments». –М.:Издво РУДН, 2003.–С. 15–17. 2.Кирсанов А.Ю. Разработка системы управления распределенными лабораторными ресурсами вуза для организации дистанционного инженерного образования//Тезисы докл. Всерос. науч.техн. конф. «Информационнотелекоммуникационные технологии». –Сочи;М.: Издательство МЭИ, 2004. –С. 221–223.3.Баран Е.Д., Голошевский Н.В., Захаров П.М., Рогачевский Б.М. Виртуальная лаборатория для дистанционного обучения методам проектирования микропроцессорных систем

//Сборник трудов Международной научнопрактической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments». –М.:Издво РУДН, 2003.4.Гершуни Г. З., Жуховицкий Е.М. Конвективная устойчивость // Итоги науки и техники. Серия «Механика жидкости и газа». –1978. –Т. 11. –С. 66–154.5.БрацунД.А., ЗюзгинА.В., ПоловинкинК.В., Путин Г.Ф. Об активном управлении равновесием жидкости в термосифоне // Письма в журнал технической физики. –2008. –Т. 34. –С. 36–42.6.Брацун Д. А., Зюзгин А. В.Эффект возбуждения подкритических колебаний в стохастических системах с запаздыванием. Часть II. Управление равновесием жидкости // Компьютерные исследования и моделирование. –2012. –Т. 4,№ 2.–С. 369–389.7.Зюзгин А.В. Информационнокоммуникационная среда учебнонаучной лаборатории университета. –Пермь: ПермГУ, 2007.–298 с.8.Курдина Н.А., Тайферова Н.П., Каменева Т.К. Очерки из истории пермской школы № 9. 1809–2009. –Пермь: «Астер», 2009. –150 с.Bratsun Dmitry,Head of Theoretical Physics Department of Perm State Pedagogical University, Permdmitribratsun@rambler.ru

Zyuzgin Alexey,Lecturer of General Physics Department of Perm State Research University, Permalexey.zyuzgin@gmail.comKolesnichenko Lyubov,Physics teacher of the school № 9. by A.S. Pushkin, indepth study of physics and mathematics, Permlubivkol@yandex.ru

Kurdina Nanalya,Director of the school № 9. by A.S. Pushkin, indepth study of physics and mathematics, Permkurdinata26@mail.ruPutin Gennady,Head of General Physics Department of Perm State Research University, Permputin@psu.ruOn the application of information and communications technologies in distance learning labsAbstract.The problem of development and testing of the experimental setup for the automatic control of thermal fluid convection allowing to be performed remotely within distance laboratory works on the level of secondary and high schools has been considered. The novelty of the approach is the development of remote sensing technology for research on laboratory equipment in real time. The actuality of the problem is due to the demand for professionals with expertise in remote sensing data collection and processing, as well as access of students in secondary and high schools to the equipment and achievements of leading scientific schools.Keywords: secondary and high education, distance learning labs, information and communications technologies.ISSN 2304120X