ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ В ДИСТАНЦИОННОМ ФОРМАТЕ С УЧЕТОМ МЕЖДУНАРОДНОГО ОПЫТА

Акатьева Анна Максимовна
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
студент

Аннотация
В статье рассматриваются современные проблемы дистанционного образования. Проводится анализ популярных смежных направлений развития измерительных, вычислительных устройств интернета вещей. Рассматриваются проблемы внедрения дистанционных лабораторий. Предлагается собственный подход к решению задач технологического оснащения и организации дистанционных лабораторий.

Ключевые слова: , , , ,


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Акатьева А.М. Проектирование лабораторных работ в дистанционном формате с учетом международного опыта // Современные научные исследования и инновации. 2022. № 4 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2022/04/98018 (дата обращения: 21.06.2024).

Современные проблемы дистанционных лабораторий

Одним из результатов эпидемии коронавируса является перевод многих видов мероприятий и работ в дистанционную форму. В последние годы наблюдается рост числа публикаций в данной области исследований (рис. 1).


Рисунок 1. Графики публикационной активности по теме дистанционного образования
Источник: анализ автора

С одной стороны, можно заметить большое количество публикаций по дистанционным лабораторным. С другой стороны, найти примеры реального внедрения и постоянного использования конкретных технологий гораздо сложнее. Можно предположить, что основной проблемой, препятствующей повсеместному внедрению дистанционных лабораторий, является недостаточное качество имеющихся технологий. Еще одной причиной может быть высокий порог вхождения и трудоемкость разработки. В исследованных научных публикациях выделяются следующие качественные и количественные метрики процесса разработки и внедрения дистанционных лабораторий:

  • вовлеченность студентов в образовательный процесс [1];
  • удовлетворенность студентов качеством образования [2];
  • трудоемкость внедрения технологии [3];
  • трудоемкость технической поддержки [4];
  • понимание целей и задач дистанционных лабораторий [5].

Многие авторы указывают ряд преимуществ и недостатков, связанных с использованием дистанционных лабораторий (табл. 1).

Таблица 1. Особенности лабораторных дистанционного формата

Преимущества и возможности

Недостатки и трудности

  • круглосуточный доступ;
  • работа во время карантина;
  • возможность реализации индивидуальной работы;
  • сохранение интерактивности;
  • локализация за пределами учебного заведения.
  • техническая поддержка;
  • безопасность эксплуатации;
  • стоимость внедрения;
  • плохая связь.

Источник: анализ автора

Общий подход к реализации дистанционных лабораторий

Развитие интернета вещей упростило реализацию многих проектов. В то же время можно заметить, что большинство реализованных проектов отличаются узкой специализацией и отсутствием универсальной элементной базы. Для решения этой задачи можно сформулировать следующий перечень основных подсистем:

  • экспериментальная установка, представляющая объект исследования;
  • модуль телеизмерения;
  • модуль телеуправления;
  • модуль видеонаблюдения;
  • модуль питания;
  • коммуникационный интерфейс (HMI);
  • система сопровождения и обучения (LMS).

Исследование используемых технологий телеметрии

Для проектирования нового универсального комплекса дистанционных лабораторных работ проведено аналитическое исследование используемых технологий: микропроцессорных платформ, сенсоров и управляемых модулей. Выявлены устройства, наиболее часто встречающиеся в научных исследованиях (табл. 2).

Таблица 2. Перечень наиболее часто используемых датчиков.

Название датчика

Число публикаций

(Science Direct)

Акселерометр MPU 6050

99

GPS/глонасс модуль SIM908

5

GPS/глонасс модуль NEO-M8P

12

УЗ датчик HC SR-04

191

RFID датчик RC522

22

IR sensor (SHARP GP2Y0A21YKOF)

6

Название платформы

Число публикаций

(Science Direct)

PLC Siemens

4000

Raspberry PI

5293

Микроконтроллеры ESP 32

217

NodeMCU

157

Arduino

9208

Источник: анализ автора

Выбор программного обеспечения

В изученной научной литературе приводится несколько комбинаций пакетов программного обеспечения, позволяющих реализовать дистанционные лаборатории. В [6] используется научный конструктор LEGO и библиотеки MATLAB. В [7] рассматривается использование пакета LabVIEW. В то же время ни один из подобных проектов не может быть дублирован другой командой исследователей по причине множества неточностей и неопределенностей, допущенных в описании технологий и подходов к их использованию. В публикациях отечественных авторов [8, 9, 10] рассматривается использование платформы espressif и сервера дистанционного управления blynk.

Новый подход к проведению дистанционных лабораторных

Проведенное исследование позволяет сформулировать несколько технологических и организационных решений, которые помогут упростить внедрение дистанционных лабораторий в образовательный процесс. Прежде всего, имеет смысл дублировать реальные лабораторные стенды виртуальными моделями. Такой подход позволит:

  • сократить время использования физической части оборудования;
  • переместить фокус выполнения лабораторной работы в сторону сравнения реальных физических объектов и их моделей;
  • обратить внимание учащихся на соответствия между математической моделью, блок-схемой и реальной установкой;
  • упростить подготовку к выполнению лабораторной работы.

Техническая и технологическая реализация дистанционной лаборатории может быть построена с помощью следующих блоков:

  • использование микропроцессорной платформы ESP32;
  • использование сервера и приложения Blynk;
  • использование видео модуля.

Также произведен анализ вспомогательного программного обеспечения:

  • SmartPSS для одновременного отображения изображений с нескольких видеокамер;
  • Easy java simulator позволяет осуществлять моделирование физических процессов и производить измерение.

Перечисленные информационные технологии и их практические реализации более подробно рассмотрены в [6, 7, 11, 12]. Внедрение перечисленных технологий позволит использовать современный подход к перевернутому обучению (flipped learning). Модульность дистанционных лабораторий позволяет выполнять классные и домашние задания на одном и том же стенде. Такой подход позволит развить навыки решения творческих задач [13].

Выводы

Проведен анализ возможных направлений развития курса дистанционных лабораторных. Предложен новый подход проектирования схемотехнических решений, упрощающий внедрение и обслуживание дистанционных лабораторных. Перечень задач, необходимых для решения, может быть отправной точкой для создания и разработки новых продуктов не только в области образования, но также средств быстрого прототипирования систем управления.


Библиографический список
  1. Lysanne S. Post, Pengyue Guo, Nadira Saab, Wilfried Admiraal. Effects of remote labs on cognitive, behavioral, and affective learning outcomes in higher education. Computers & Education. Vol. 140. 2019. 103596.
  2. Clara Viegas, Ana Pavani, Natércia Lima, Arcelina Marques, Isabel Pozzo, Elsa Dobboletta, Vanessa Atencia, Daniel Barreto, Felipe Calliari, André Fidalgo, Delberis Lima, Guilherme Temporão, Gustavo Alves. Impact of a remote lab on teaching practices and student learning. Computers & Education. Vol. 126. 2018. Pages 201  216.
  3. Ruben Heradio, Luis de la Torre, Sebastian Dormido. Virtual and remote labs in control education: A survey. Annual Reviews in Control. Vol. 42. 2016. Pages 1  10.
  4. Luis de la Torre, Jesus Chacon, Dictino Chaos, Sebastian Dormido, José Sánchez, A Master Course on Automatic Control with Remote Labs, IFAC-PapersOnLine. Vol. 52. Iss. 9. 2019. Pages 48  49.
  5. Ruben Morales-Menendez, Ricardo A. Ramírez-Mendoza, Antonio Jr. Vallejo Guevara. Virtual/Remote Labs for Automation Teaching: a Cost Effective Approach. IFAC-PapersOnLine. Volume 52. Issue 9. 2019. Pages 266  271.
  6. Marco Casini, Andrea Garulli, Antonio Giannitrapani, Antonio Vicino. A Matlab-based Remote Lab for Multi-Robot Experiments. IFAC Proceedings Volumes. Vol. 42. Iss. 24. 2010. Pages 162  167. Pages 1474-6670.
  7. B.R. Poorna Chandra, K.P. Geevarghese, K.V. Gangadharan. Design and implementation of remote mechatronics laboratory for e-learning using labview and smartphone and cross-platform communication toolkit (SCCT). Procedia Technology. Vol. 14. 2014. Pages 108 – 115.
  8. Алисьвяк А.А., Новиков Ю. Н. Создание универсальной микроконтроллерной платформы — основы систем дистанционного мониторинга данных и управления// Неделя науки ИФНиТ: сборник материалов Всероссийской конференции, 16 –20 ноября 2020 г. – СПб. : ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2020. – С.307 (44-47)
  9. Алисьвяк А.А., Новиков Ю. Н. Модель системы дистанционного мониторинга объектов со встроенными микроконтроллерами // Неделя науки СПбПУ: материалы научной конференции с междунар. участ., 19-24 ноября 2018 г. Институт физики, нанотехнологий и телекоммуникаций. – СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2018. – С.426 (131-134)
  10. Алисьвяк А.А., Новиков Ю. Н. Интернет-мониторинг объектов со встроенными микроконтроллерами: модель системы // Неделя науки СПбПУ: материалы научной конференции с междунар. участ., 19-24 ноября 2018 г. Лучшие доклады– СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2018. – С.453 (159-162)
  11. Гетьман М. А., Халин Г. А. Лабораторная система дистанционного мониторинга квадрокоптера. Cборник статей II Международной научно-практическойконференции. Издательство: «Международный центр научного партнерства «Новая Наука». 2020. Стр. 200  205.
  12. Ескин А. В., Жмудь В. А., Трубин В. Г., Печников А. Л. Использование сети интернет для интерактивной лабораторной работы с дистанционным управлением моделью робота снегоуборщика. Автоматика и программная инженерия. Том 1. Выпуск 7. 2014. Стр. 95  103.
  13. Мандрик А.В. Обучение решению нестандартных задач с помощью flipped learning. Материалы международной научно-методической конференции «Современные тенденции развития непрерывного образования: вызовы цифровой экономики». – Издательство Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (Томск), 2020. – С.40-41.


Все статьи автора «Акатьева Анна Максимовна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация