Разработка методов и программных систем дистанционных образовательно-исследовательских комплексов реального времени с визуализацией конструирования правил проведения эксперимента

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка методов и программных систем дистанционных образовательно-исследовательских комплексов реального времени с визуализацией конструирования правил проведения эксперимента

В.И. Халимон

О.В. Проститенко

Данная работа посвящена созданию компьютерной образовательно-исследовательской системы, позволяющей дистанционно, в режиме реального времени визуально задавать программу проведения эксперимента на реальной технологической установке. При реализации дистанционного лабораторного практикума данная система позволяет в процессе учебного занятия исследовать работу технологической установки, расположенной на удаленном расстоянии от компьютерного класса или исследователя. Наличие в программном комплексе управления данной системы библиотеки модулей для формирования программы проведения эксперимента и интерпретатора математических выражений значительно расширяет возможности настройки программы проведения экспериментов на требуемые условия. Оперативные данные передаются клиентам по протоколу TCP/IP и отображаются в табличной и графической форме. В системе предусмотрен импорт полученных данных в другие (внешние) программные пакеты обработки.

Ключевые слова: лабораторный дистанционный практикум, аппаратно-программный комплекс, реальное время, программа проведения эксперимента, интерпретатор математических выражений.

This work is devoted to creation of the computer educational and research system allowing remotely in real time visually to set the program of carrying out an experiment on real technological installation. At realization of a remote laboratory practical work this system allows to investigate work of the technological installation located at remote distance from a computer class or the researcher in the course of the educational occupation. Existence in a program complex of management of this system of library of modules for formation of the program of carrying out an experiment and the interpreter of mathematical expressions considerably expands possibilities of setting up the program of carrying out experiments for the required conditions. Operational data are transferred to clients under the TCP/IP protocol and displayed in a tabular and graphic form. Import of the obtained data to other (external) software packages of processing is provided in system.

Keywords: laboratory remote practical work, hardware and software, real time, program of carrying out experiment, interpreter of mathematical expressions.

Дистанционные образовательные технологии, в той или иной степени, реализуются в таких формах получения образования, как очное, очно-заочное, заочное обучение и экстернат. Основными элементами, составляющими содержание технологии дистанционного обучения (ДО), являются средства, методы и формы [3]. Под средствами новых информационных технологий обычно понимают следующее. Это, - «…программно-аппаратные средства и устройства, функционирующие на базе микропроцессорной техники, современных средств и систем телекоммуникаций информационного обмена, аудио-видеотехники и т.п., обеспечивающие операции по сбору, продуцированию, накоплению, хранению, обработке, передаче информации» [1].

Среди методов обучения в образовательном процессе ДО, особой спецификой обладают лабораторные дистанционные практикумы (лабораторные практикумы удаленного доступа). Актуальность лабораторных дистанционных практикумов особенно возрастает при подготовке специалистов для различных отраслей техники и технологии. Подготовка таких специалистов определяется не только изучением определенного теоретического материала, но и получением конкретных практических навыков лабораторных исследований [2].

Суть дистанционного лабораторного практикума состоит в следующем. Для конкретного прикладного тематического направления создается единый универсальный аппаратно-программный комплекс, предназначенный как для обучения студентов или переподготовки специалистов, так и для проведения научных исследований. Коллективное использование этого комплекса многими абонентами, распложенными на сколь угодно большом расстоянии до него, выполняется с применением телекоммуникационных технологий.

Оперативное управление экспериментом в реальном времени можно осуществлять как в ручном режиме, так и автоматически с помощью многоканальной подсистемы регулирования по программам, получаемым от удаленных компьютеров, которые являются рабочими местами пользователей. Программное обеспечение осуществляет комплексную компьютерную поддержку всего лабораторного практикума: обучение, моделирование исследуемых процессов, задание условий эксперимента, инициирование его выполнения, получение и всесторонний анализ результатов. Таким образом, разработка аппаратно-программных систем дистанционных образовательно-исследовательских комплексов является актуальной и экономически обоснованной.

Целью работы является создание компьютерной образовательно-исследовательской системы, позволяющей дистанционно, в режиме реального времени задавать программу проведения эксперимента на реальной технологической установке, получать данные с датчиков, расположенных на установке, передавать эти данные на сервер (центральный компьютер) и далее эти данные по запросу через сеть Интернет предаются локальным пользователям (учащимся или исследователям) для обработки и принятия решения по управлению экспериментом.

Для решения сформулированной задачи предложена общая структура дистанционного образовательно-исследовательского комплекса, представленная на рисунке 1.

Рисунок 1 - Общая структура аппаратного обеспечения лабораторного комплекса

Структура системы включает:

- блок ручного управления (различные физические (аппаратные) средства задания управляющих сигналов для воздействия на микроконтроллер, такие как: кнопки, ручки регулирования и т.п., индикация текущих значений параметров);

- контроллер-преобразователь (обеспечивает физическую связь компьютера и платы микроконтроллера, реализует соответствующие протоколы связи, обеспечивает связь компьютера и платы микроконтроллера на программном уровне);

- аппаратные модули сопряжения с контроллером - объектом (цифро - аналоговые и аналого - цифровые преобразователи, измерители тока и напряжения, операционные усилители, датчики и т.д.);

- программный комплекс управления (обеспечивает настройку системы на требуемый режим функционирования всего образовательно-исследовательского комплекса)

Ядром комплекса является программное обеспечение, которое реализовано как инструментальная система, которую можно настраивать на различные технологические экспериментальные установки и различные режимы проведения экспериментов.

Обобщенная функциональная схема программного обеспечения лабораторного комплекса представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Обобщенная функциональная схема программного обеспечения лабораторного комплекса

компьютерный исследовательский дистанционный практикум

Необходимо отметить, что удаленные клиенты могут обрабатывать данные, поступающие с установки как в реальном масштабе времени, так и работать с данными, полученными ранее. Это дает возможность студентам выполнять лабораторные работы в режиме имитации, а исследователям вести дополнительный анализ ранее полученных данных.

При реализации дистанционного лабораторного практикума данная система позволяет в процессе учебного занятия исследовать работу технологической установки, расположенной на удаленном расстоянии от компьютерного класса, где студенты должны проводить обработку и анализ данных в соответствии с изучаемой дисциплиной.

Гибкость данного программного продукта обеспечивается наличием двух оригинальных блоков:

- интерпретатор математических выражений;

- библиотека модулей для формирования программы проведения эксперимента.

Интерпретатор математических выражений позволяет экспериментатору вводить математическую формулу, которая, по его мнению, необходима в данный момент для обработки данных, получаемых с экспериментальной установки и получать результат расчётов по этой формуле в базу данных и на экран в виде графиков и таблиц, что, в свою очередь, расширяет возможности экспериментальных исследований.

Библиотека модулей для формирования программы проведения эксперимента содержит расширяемый набор программных модулей с соответствующим каждому из них графическим изображением и параметрами настройки, позволяющий построить визуально на экране дисплея программу проведения эксперимента.

На рисунке 3 представлен примерный набор блоков управления, а на рисунке 4 - интерфейс системы с собранной из блоков управления программой эксперимента.

Рисунок 3 - Блоки управления

Рисунок 4 - Интерфейс оператора (пример программы эксперимента)

Результаты эксперимента в режиме реального времени в виде графиков выводятся на экран, а массивы данных сохраняются в файлах.

Система является открытой и, в зависимости от специфики и свойств технологического объекта, методы, алгоритмы и программы могут модифицироваться. В системе предусмотрен импорт полученных данных для обработки в другие программные пакеты обработки (блок - «Типовые пакеты и программы обработки данных»).

Тестирование первой версии разработанного комплекса проводилось в лабораторном практикуме по дисциплине «Автоматизированные системы управления технологическими процессами» на установке генерации плазмы.

Лабораторный комплекс позволяет проводить удаленный мониторинг состояния объекта и дистанционное управление параметром технологического процесса (температурой газоразрядной плазмы) [4, 5].

В настоящее время проходит опытное испытание второй версии комплекса на исследовательской установке для изучения электрохромных характеристик материалов.

По результатам испытаний можно утверждать, что разработанный комплекс значительно расширяет и интенсифицирует как научные исследования, так и учебный процесс.

Список литературы

1. Роберт И.В. Современные информационные технологии в образовании. М.: Школа - Пресе 1994. с. 205.

2. Арбузов Ю.В., Леньшин В.Н., Маслов С.И., Поляков А.А., Свиридов В.Г. Новое в концепции ДО: дистанционный лабораторный практикум // Проблемы информатизации ВШ. - 1997. - № 1-2(7-8).

3. Андреев А.А., Солдаткин В.И. Дистанционное обучение: сущность, технология, организация. -М.: Издательство МЭСИ, 1999. - 196 с.

4. Халимон, В.И. Разработка дистанционных образовательных комплексов в сфере организации сложных учебно-исследовательских технологий / В.И. Халимон, Ю.П. Юленец, О.В. Проститенко, А.Ю. Рогов // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) №35(61). - СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2016. С.92-95.

5. Халимон, В.И., Проститенко О.В., Рогов А.Ю., Юленец Ю.П. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №20156617378 РФ 08.07.2016. Программно-алгоритмический комплекс дистанционного мониторинга и управления лабораторной установкой генерации плазмы (Plasma).

Размещено на Allbest.ru