CC BY
97
Севостьянов Р.А.1, Попов А.П.2
1 Санкт-Петербургский государственный университет, г.Санкт-Петербург, аспирант
кафедры компьютерных технологий и систем, sevostyanov. ruslan@gmail . com 2 ООО «ТВН», г.Санкт-Петербург, ap@its-physics . org
Опыт создания стендов удаленного доступа для проведения школьных лабораторных работ по физике
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Удаленные лаборатории, удаленные стенды, школа, образование, лабораторные работы, удаленный доступ, дополненная реальность, дистанционное обучение.
АННОТАЦИЯ
Статья посвящена вопросам создания удаленных лабораторий для привлечения учащихся общеобразовательных школ к изучению физики и проведению физических экспериментов. Приводится обзор современного состояния платформ для создания удаленных лабораторий. Описываются особенности удаленных лабораторий для школьников по сравнению с классическими. Предлагается общая схема обеспечения удаленного доступа к лабораторному оборудованию, проиллюстрированная на примере уже реализованного стенда.
Введение
В последнее время все больше растет интерес к технологиям удаленного, или дистанционного обучения, чему способствует повсеместное распространение доступа к сети интернет. Способы передачи и контроля знаний в таких технологиях варьируются от предоставления обычных материалов в текстовой форме до полноценных онлайн-курсов с видео-лекциями, практическими заданиями, промежуточными тестами и итоговыми экзаменами. Одним из самых известных и наиболее популярных сервисов дистанционного обучения является проект Coursera [1], который объединяет сотни онлайн-курсов различной тематики, поддерживаемых многими университетами разных стран. Не менее заметными проектами являются также edX [2] и Udacity [3]. Из российских инициатив можно отметить проект Лекториум [4].
Помимо онлайн-курсов, популярность набирают так называемые лаборатории удаленного доступа, или просто удаленные лаборатории -оборудование, доступ к которому можно получить через сеть интернет (рис 1). Как правило, большинство таких лабораторий предоставляет возможность запрограммировать ход эксперимента на языке высокого уровня или графическом языке (чаще всего - LabVIEW [5]), после чего
получать в процессе эксперимента информацию с датчиков в лаборатории, а в некоторых случаях - изображение с веб-камеры, фиксирующей эксперимент.
Предоставление удаленного доступа к подобным установкам решает сразу две проблемы. Во-первых, зачастую дорогостоящее оборудование простаивает в нерабочее время, а удаленный доступ позволяет обеспечить его практически круглосуточное использование. Во-вторых, не все люди имеют возможность посетить интересующие их установки, которые часто расположены в других странах. Кроме этого, не все учебные заведение обладают достаточными средствами для установки необходимого оборудования.
Наиболее значимыми проектами, объединяющими удаленные лаборатории со всего мира и предоставляющие к ним централизованный доступ, являются GOLC (Global Online Laboratory Consortium [6]), Labshare [7] и iLabCentral [8]. Среди российских проектов можно выделить только инициативы отдельных университетов (например, интернет-лаборатория "Робототехника", созданная на базе Дмитровского филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана [9]).
Рис. 1. Удаленный эксперимент по исследованию безопасности радиоактивной
энергии [10]
Насколько можно судить, на данный момент не существует единого стандарта или технологии создания удаленных лабораторий. Проект SAHARA Labs [11] являлся попыткой реализации общей системы обеспечения удаленного доступа к лабораторным установкам, но на данный момент, судя по всему, не закончен и неактивен.
Удаленные школьные лаборатории
Пользователями удаленных лабораторий могут быть не только студенты или работники высших учебных заведений. В последние годы отмечается тенденция к снижению интереса к физике среди учащихся общеобразовательных школ. Зачастую это связано с отсутствием необходимых материалов для проведения натурных экспериментов, которые являются наиболее интересной частью уроков по физике, связывающей математические модели с реальным миром. Одним из возможных способов решения этой проблемы является создание удаленных стендов для проведения школьных лабораторных работ по физике. Такие стенды должны обладать некоторыми особенностями по сравнению с классическими лабораториями удаленного доступа. Во-первых, необходим более простой интерфейс взаимодействия пользователя с установкой, по возможности, без программирования, для привлечения наибольшего числа детей. Идеальным представляется обеспечение интерактивного доступа, когда пользователь может в режиме реального времени изменять варьируемые параметры эксперимента и сразу видеть результат своих действий. Во-вторых, интересной особенностью видится использование технологии дополненной реальности [12] для отображения поясняющей информации прямо на картинке с видео-потоком от стенда -например, отображения в реальном времени траектории движения тел, а также векторов сил и скоростей. В-третьих, для каждого эксперимента возможна постановка какой-то интересной детям практической задачи в игровой форме: например, выставить угол и силу выстрела пушки, чтобы попасть по пиратскому кораблю.
Пользователь
Пользователь
Интернет
Центральный сервер
Лаборатория1 (локальная сеть)
Сервер в лаборатории"!
Управление
Видео
С
Контроллер Управление _____ ^^-а
Видео
Пользователь
Стенд
Рис.2. Общая схема работы удаленной лаборатории Общая схема обеспечения удаленного доступа к лаборатории может выглядеть следующим образом (рис. 2). Каждый лабораторный стенд
должен быть оснащен некоторыми исполнительными механизмами (актуаторами) и измерительными устройствами (датчиками), а также, по возможности, веб-камерой. Для управления актуаторами и датчиками необходим некоторый цифровой контроллер. Также желательно, чтобы этот контроллер обладал вычислительными мощностями, необходимыми для применения технологии дополненной реальности, а также трансляции видео-потока. Контроллер стенда подключается через какой-либо канал связи к серверу в лаборатории, объединяющему несколько стендов и имеющему доступ к сети интернет. Этот сервер поддерживают связь с центральным сервером в сети интернет, который предоставляет доступ к стендам в различных лабораториях через веб-сайт. На центральном сервере работают служебные программы по резервированию времени проведения эксперимента, записи протокола эксперимента и т.д. Наконец, пользователь в зарезервированное время получает доступ к проведению эксперимента через веб-страницу в браузере. При этом в данный момент времени управлять установкой может только один пользователь, а видео-поток со стенда может просматривать любой желающий. После проведения эксперимента пользователь может просмотреть видео изученного процесса, а также список произведенных действий и измерений.
Стенд «Движение тела, брошенного под углом к горизонту»
В 2013 году проект по созданию подобных удаленных стендов для проведения школьных лабораторных работ по физике был инициирован на базе центра молодежного инновационного творчества фонда ТВН и образовательного проекта «It's physics!» [13]. Был создан тестовый стенд «Движение тела, брошенного под углом к горизонту» (рис. 3). Этот стенд позволяет стрелять стальными шариками из электромагнитной пушки Гаусса, установленной под определенным углом. После выстрела шарик останавливается, ударяясь об ограничитель, и скатывается к механизму зарядки. Таким образом, стенд может функционировать полностью автономно.
Основными исполнительными механизмами стенда являются: реле, включающее подачу напряжения на конденсаторы для питания пушки; реле, включающее подачу напряжения с конденсаторов на катушку индуктивности для выстрела; сервопривод, управляющий углом наклона пушки; наконец, подъемный механизм, закидывающий шарик в пушку. Из измерительных механизмов на стенде установлены датчик напряжения конденсаторов, от которого зависит сила выстрела, и веб-камера для трансляции видео, а также распознавания и отображения траектории полета шарика. Управление стендом происходит в режиме реального времени: пользователь устанавливает угол наклона пушки и условную силу выстрела и нажимает на кнопку «Пуск», производя выстрел (рис. 4). При каждом выстреле при помощи распознавания видео измеряются максимальная дальность и высота полета шарика.
Рис.3. Стенд «Движение тела, брошенного под углом к горизонту»
На данный момент в качестве контроллера стенда используется плата Arduino Uno [14] с модулем расширений Motor Shield [15] для управления силовым электромотором механизма зарядки шарика в пушку. Контроллер напрямую подключен к серверу лаборатории при помощи USB-кабеля, также как и веб-камера. Обработка и распознавание видео-потока происходит на сервере. Для управления стендом, обработки и трансляции видео было реализовано соответствующее программное обеспечение на языке C++ с использованием фреймворка Qt [16] и библиотеки OpenCV [17]. Связь с контроллером программно реализована при помощи эмулированного последовательного порта.
Сервер лаборатории подключен к центральному серверу проекта «It's physics!» при помощи TCP-сокета. Видео-поток с веб-камеры транслируется в формате MJPEG. Далее, управляющая программа на центральном сервере, также реализованная на языке C++ с использованием фреймворка Qt, осуществляет связь сервера лаборатории с клиентской частью. Программа гарантирует, что в данный момент времени стендом управляет только один пользователь. Кроме этого, при помощи программы VLC видео-поток, приходящий с веб-камеры стенда, ретранслируется всем, кто наблюдает за экспериментом - это сделано для того, чтобы не загружать интернет-канал лаборатории, перебросив нагрузку на центральный сервер.
Результаты измерений
Измерение №1: connected
Рис.4. Интерфейс удаленного стенда Функционал клиентской части реализован на языке JavaScript, что несколько ограничивает возможности коммуникации с центральным с сервером. Существует два основных варианта асинхронной передачи данных из программы, написанной на JavaScript - технология ajax и веб-сокеты. После небольшого исследования было решено остановиться на технологии веб-сокетов, которые являются надстройкой над классическими TCP-сокетами для обеспечения безопасного соединения. Трансляция видео в формате MJPEG осуществляется стандартными средствами HTML5 и не требует написания отдельного скрипта.
Описанная технология, в принципе, может быть применена практически к любым физическим стендам. В настоящее время, помимо стенда «Движение тела, брошенного под углом к горизонту», спроектировано еще 20 стендов, демонстрирующих различные физические явления. Кроме создания новых стендов, в ближайшее время планируется сделать следующие шаги:
• добавить систему резервирования времени и запись протокола эксперимента на центральный сервер;
• заменить формат MJPEG на более эффективный для сжатия видео для уменьшения нагрузки на интернет-канал;
• разработать методические материалы для обеспечения проведения полноценной лабораторной работы при помощи стенда;
• добавить игровые элементы при помощи технологии дополненной реальности;
• заменить контроллер Arduino на отечественный контроллер ТРИК [18], который обладает вычислительными мощностями, необходимыми для обработки и трансляции видео.
Литература
1. Coursera. URL: https://www.coursera.org/.
2. edX. URL: https://www.edx.org/.
3. Udacity. URL: https://www.udacity.com/.
4. Лекториум. URL: http://www.lektorium.tv/.
5. Среда разработки приложений LabVIEW. URL: http://russia.ni.com/labview/.
6. Global Online Laboratory Consortium. URL: http://online-lab.org/.
7. Labshare. URL: http://www.labshare.edu.au/.
8. iLabCentral. URL: http://ilabcentral.org/.
9. Интернет-лаборатория «Робототехника». URL: http://fms.bmstu.ru/.
10. Investigating the Safety of Nuclear Energy Using Real Radioactivity Data. URL: http: //ilabcentral.org/radioactivity/nuclearenergy/.
11. SAHARA Labs. URL: http://sourceforge.net/projects/labshare-sahara/.
12. Дополненная реальность. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Дополненная_реальность.
13. Проект «It's physics!». URL: http://www.its-physics.org/.
14. Arduino Uno. URL: http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardUno.
15. Arduino Motor Shield. URL: http://arduino.cc/en/Main/ArduinoMotorShieldR3.
16. Qt Project. URL: http://qt-project.org/.
17. OpenCV. URL: http://opencv.org/.
18. Все о ТРИК. URL: http://blog.trikset.com/.
