В статье дается описание автоматизированной обучающей системы на основе лабораторных стендов с применением современных образовательных технологий. Показывается организация на уровне подсистем. Приводятся программное и ресурсное обеспечение, а также аппаратная часть системы.
Ключевые слова: автоматизированные измерения, автоматизированный лабораторный стенд, обучающая система, адаптивное программно-методическое обеспечение.
Предложение на рынке учебной техники автоматизированного лабораторного оборудования различными компаниями постоянно растет. Однако следует отметить, что, несмотря на потенциально широкие возможности автоматизации исследований, в настоящее время при проектировании таких стендов ведущие мировые и отечественные разработчики ограничиваются автоматизацией измерений, обработкой первичных измерительных данных и отображением результатов на экране монитора в графическом и табличном виде [1].
На кафедре «Нано- и микроэлектроника» Пензенского государственного университета более двадцати лет ведется разработка автоматизированных стендов для лабораторного практикума по материалам и элементам электронной техники [2]. Накопленный за это время опыт в создании аппаратного, программного и методического обеспечения автоматизированных лабораторных стендов позволяет коллективу разработчиков данного проекта несколько шире взглянуть на задачу автоматизации лабораторного эксперимента в учебном процессе.
На основе автоматизированного лабораторного стенда при определенной методической проработке можно создать многофункциональную автоматизированную обучающую систему (АОС), интегрирующую в рамках единого подхода современные образовательные технологии. Адаптивное программно-методическое обеспечение такой системы позволит на основе имеющейся инструментальной базы реализовать принципы многоуровневости и многонаправленности исследований при выполнении лабораторного практикума с учетом текущих знаний, направления и профиля подготовки обучаемого. Уровневый подход заключается в выполнении лабораторной работы на разном уровне сложности с точки зрения постановки цели и трудоемкости ее достижения для пользователей с разным уровнем подготовки: школьник, бакалавр, магистр, аспирант. Направленность исследований при выполнении лабораторных работ заключается в учете специфики подготовки специалиста по тому или иному научно-техническому направлению, связанной с расстановкой акцентов на те или иные вопросы процесса исследования, свойств объектов, особенностей изучаемых явлений: материалы электронной техники, физика приборов и структур, теория электрических цепей, схемотехника, измерительная техника и т. д.
Все подсистемы АОС можно разделить на две основные группы — пользовательские подсистемы и подсистемы администрирования.
Подсистемы работы с пользователем:
− Подсистема регистрации и идентификации пользователя;
− Подсистема обучения работе в системе;
− Подсистема тестирования знаний пользователя на этапе подготовки к работе и по результатам выполненной работы;
− Справочная подсистема;
− Подсистема измерений и обработки результатов;
− Подсистема оформления результатов работы и разработки отчета.
Подсистемы администрирования:
− Подсистема конфигурирования АОС;
− Подсистема мониторинга;
− Подсистема калибровки.
На уровне модулей программное и ресурсное обеспечение АОС можно разделить на три основные части:
– сервер измерительной системы;
– клиентское приложение;
– база данных и ресурсы системы.
Сервер измерительной системы — это программа, которая реализует все функции подсистемы измерений, связанные с управлением аппаратными средствами АОС при измерении параметров объекта исследований по запросу клиента, а также предварительную обработку первичных данных и передачу результатов клиенту. В сервере реализуются также функции подсистемы калибровки. Управляющие воздействия могут приниматься дистанционно от подключившегося клиента по протоколу TCP/IP.
Клиентское приложение — это основной программный модуль системы, отвечающий за реализацию функций всех подсистем АОС, интерфейс пользователя, управление ресурсами системы и обмен данными с другими программными модулями. Работу в АОС можно выполнять без применения аппаратной части и сервера измерительной системы, используя ранее полученные и сохраненные в базе данных пользователя результаты измерений. Имеется стек коммуникаций по TCP/IP протоколу.
База данных и ресурсное обеспечение АОС — это хранилище всей информации, необходимой пользователю для работы в системе. Вся информация структурирована по различным признакам и хранится в отдельных файлах, файлах базы данных и библиотечных модулях.
Обобщенная структурная схема аппаратной части АОС представлена на рис. 1. Это структура простой автоматизированной измерительной системы на базе персонального компьютера массового применения. Для подключения измерительной части к персональному компьютеру используется интерфейс USB, к аппаратным и программным ресурсам компьютера не предъявляется особых требований. Могут применяться обычные компьютеры, которые имеются в образовательных учреждениях. Программное обеспечение АОС может работать в среде операционных систем Windows XP, Windows 7, Windows 8/8.1, Windows 10.
Рис. 1. Обобщенная структурная схема аппаратной части АОС
Объектом исследований является образец материала, прибор, физический процесс или явление. Свойствами объекта исследований и реализованным методом измерений определяются характеристики аналоговых преобразователей измерительных сигналов и источников воздействия. Такие характеристики контроллера, как количество каналов аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователей, их быстродействие и разрядность, количество каналов цифрового ввода/вывода определяются сложностью выполняемых измерений.
Преобразователи, источники воздействий, контроллер конструктивно размещаются в одном приборном корпусе — измерительном блоке (ИБ). Объект исследований либо непосредственно подключается к прибору, либо устанавливается в какое-либо внешнее приспособление или устройство, подключаемое к ИБ. Когда это возможно, пользователю дается право подключать собственные образцы для исследований.
Наличие только автоматизированных средств измерений и методики проведения измерений для выполнения лабораторного практикума является далеко недостаточным. Комплексно решить проблемы лабораторного практикума можно в рамках автоматизированной обучающей системы, для которой на данном этапе сформулированы принципы построения и разработана архитектура на уровне подсистем. Полученные результаты положены в основу разработки автоматизированной обучающей системы для подготовки специалистов, бакалавров, магистров в области материалов и элементов электронной техники.
Литература:
- Евдокимов Ю. К., Линдваль В. Р., Щербаков Г. И. LabVIEW для радиоинженера: от виртуальной модели до реального прибора. Практическое руководство для работы в программной среде LabVIEW. — М.: ДМК, 2007. — 400 с.
- Печерская Е. А., Соловьев В. А., Вареник Ю. А., Карпанин О. В. Методология научных исследований материалов нано- и микроэлектроники: модели предметной области: Учеб. пособие под ред. д-ра техн. наук, проф. Р. М. Печерской. Пенза, Изд-во ПГУ 2012 г. — 154 с.
