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 |
|
|
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
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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)
- 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)
- 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)
- 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.
- 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.
- 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.
Количество просмотров публикации: Please wait