CC BY
179^---- МЕТОДИКА И ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ЦИФРОВЫХ РЕСУРСОВ
и ИНСТРУМЕНТОВ В ОБУЧЕНИИ
УДК 378. 147
М.А. Петрова
ЦИФРОВЫЕ ЛАБОРАТОРИИ КОМПАНИИ РНУ\УЕ: «СОВКА-З», «СОВКА-4»
Ключевые слова: методика обучения физике, учебное оборудование,
цифровые лаборатории, измерительные системы.
Рассматривается состав учебного оборудования для компьютеризированного эксперимента. Дается характеристика цифровых лабораторий разных поколений (назначение, конфигурация, измерительная система).
Цифровые лаборатории компании РШГ\¥Е уже не такая редкость в российских вузах и в этом году массово стали поставляться в средние школы отдельных регионов[2].
Немного истории
Более ста лет тому назад в Германском университетском городе Геттингене были основаны физические мастерские для оснащения университетских лабораторий и разработки оборудования для обучения. Основатель мастерских ОойЬе^ ЬеппЬасЬ. Геттинген - город, в котором жило и работало самое большое число Нобелевских лауреатов по физике (рис. 1). Наверное, поэтому физические мастерские оказались востребованы преподавателями и студентами и постепенно превратились в компанию с мировым именем РНУА¥Е (рис. 2). Компания разрабатывает и производит оборудование для учебного эксперимента по физике, химии, биологии и прикладным наукам. Оборудование производят там же в Геттингене в соседнем здании (рис. 3). Учебное оборудование производится не только для вузов, но и для школ. В 95 странах мира оборудование под маркой РЕПГ\¥Е работает уже многие годы [2].
Цифровая лаборатория СО ВЯЛ-3
Разработчики компании создали мощную систему для компьютеризированного эксперимента - цифровую лабораторию (ЦЛ) СОВКА-З, в основном для эксплуатации в условиях лабораторного практикума вузов [2]. В России эта система активно эксплуатируется в потоковых условиях уже порядка пяти лет и во всех вузах показала свою надежность и большую методическую ценность для учебного процесса. Такие вузы, как Астраханский государственный университет, Петрозаводский государственный университет, Московский институт стали и сплавов переоборудовали целые лаборатории, в том числе и с
© Петрова М.А.,2010
применением ЦП СОВЯА-З [2]. Необходимо подчеркнуть, что применение этой ЦЛ в той или иной лабораторной установке является выбором заказчика, можно приобретать и лабораторное оборудование без компьютерной обработки данных эксперимента, с традиционными стрелочными или цифровыми измерителями. Поскольку ЦЛ СОВКА-3 поставляется уже много лет в различные регионы и различным вузам, то на принципах работы, устройстве и ПО необходимо подробно остановиться.
Основной функционал в эксперименте
ЦЛ СОВЯА-3 предназначена для проведения измерения, контроля и регулирования процессов в области физики, химии, биологии и прикладных дисциплин. С помощью этой ЦЛ можно проводить как демонстрационный эксперимент, так и лабораторный эксперимент [4]. Причем в обоих случаях ЦЛ является только частью экспериментальной установки, которая поставляется вместе с измерителями ЦД. Результаты такого компьютеризированного эксперимента получаются в удобном цифровом представлении на ПК и в демонстрационном варианте, с помощью средств мультимедиа высвечиваются на экране аудитории.
Рис. 1. Аллея Нобелевских лауреатов в Германии
Рис. 2. Административное здание РНУ\¥Е
Рис. 3. Цеха компании РНУ\¥Е, г. Геттинген
Конфигурация ЦЛ СОВЯА-З
Основным элементом ЦЛ является базовая установка (рис. 5, вторая слева) с подключенными к ней датчиковыми модулями. Некоторые датчики подключаются непосредственно к базовой установке без модулей. Базовый блок является одновременно и источником питания постоянного напряжения 12 В. Лабораторная установка, в которую входит ЦЛ СОВКА-3 , может управляться либо с помощью компьютера (через информационный стандартный кабель ЛБ 232), либо с помощью операционной установки (компьютерного блока).
Прибор снабжен 3 аналоговыми входами (1 модульный порт, 2 порта для датчиков), 1 аналоговым выходом, 3 цифровыми контрольными выходами, 2 входами для таймера/счетчика и 1 выходом фиксированного напряжения. Количество входов и выходов можно увеличить, достраивая дополнительно базовую установку. Измерительные модули и датчики позволяют измерить неэлектрические величины. Операционную систему базовой установки можно обновлять через информационный стандартный кабель КВ 232. Прибор вмонтирован в ударопрочный пластмассовый корпус, на нижней части которого расположены ножки, а по бокам - соединительные элементы для достраивания дополнительных установок.
На фотографии представлен базовый блок системы СОВИА-З с подключенными устройствами (см. рис. 5, слева направо): БОРЬБУ-ЦЩТ, химический базовый блок
СНЕМ-ЦЫ1Т и блок для работы с базовой установкой без компьютера СОВЛА-З СОМ-ЦШТ. Базовый блок СНЕМ-ШПТ предназначен для работы в химическом демонстрационном или лабораторном эксперименте. Дополнительные устройства являются необязательными частями установки и подключаются к базовому модулю и друг к другу с помощью коннектора- расширителя , 48-контактного разъема на боковой стенке прибора. Например, блок Ш8РЬЕУ-1ЖГТ необходим только в демонстрационном варианте установки для хорошей визуализации данных эксперимента, полученных с помощью базового блока. Или блок СОМ-ЦШТ используется для управления экспериментом и для визуализации результатов без персонального компьютера. На фотографии к базовому блоку СОВЯА-З ВАЗДС-ШПТ подключены без измерительных модулей: световой барьер, датчик силы и датчик давления газа с измерительным модулем.
При работе с базовым модулем возможно подключение следующих датчиков напрямую к установке без измерительных модулей : полупроводниковый датчик, -10. .120 °С, измерительный микрофон, датчик движения с кабелем, световой барьер, фотодиод.
Рис.5. Базовый блок ЦЛ COBRA-3 с подключенными устройствами
Через измерительные модули к базовой установке могут крепиться различные виды зондов. Все подключаемые зонды и датчики являются 12-разрядными.
На фотографии (рис. 6) видно подключение к базовому блоку COBRA-3 измерительного зонда Тесла в вузовской лабораторной установке.
Для работы базового блока с некоторыми подключенными датчиками необходимо программное обеспечение к этим датчикам, которое поставляется с оборудованием и работает внутри одной программы Measure (скриншот программы). Такая система,
безусловно, не очень удобна, но одновременно служит защитой от попыток украсть ПО. В случае, если диск с версией ПО для датчика утерян, то программа Measure работать будет, но в демонстрационной версии, то есть каждый раз при запуске устанавливая 300 с задержки, потом 600 с и т.д перед запуском рабочей версии программы.
Несколько слов об эксплуатации ЦЛ CORRA-3. В вузовском практикуме использование этой датчиковой системы весьма целесообразно. Например, из более 50 экспериментальных установок по механике, поставляемых компанией, почти половина может быть выполнена с помощью ЦЛ COBRA-3 на ПК [5]. Спектр датчиков и зондов очень широк и не требует дополнительных калибровок. Но вместе с тем можно констатировать, что ЦЛ такого типа уже морально устарели. Достаточно іромоздкий базовый блок, различные типы входов при подключении датчиков, ПО индивидуальное для ряда датчиков внутри одной программы, соединительный кабель RS 232 , все это свидетельствует о
необходимости постепенного усовершенствования системы. И такое усовершенствованное решение было предложено компанией PHYWE в 2009 году в виде датчиковой системы COBRA-4.
Рис. 6. Базовый блок BASIC-UNIT в лабораторной установке
Измерительная система или ЦЛ СОВКА-4
Основной функционал в эксперименте
Система СОВЯА 4 предназначена для измерения физических и химических параметров различных сред. Эта ЦЛ предназначена для проведения учебного эксперимента в школах по физике, химии, биологии и прикладным наукам [4]; система в основном используется для индивидуальной лабораторной работы учащихся, возможно ее применение и в демонстрационном физическом эксперименте. Полезным будет применение ЦЛ в учебноисследовательской и проектной работе учащихся [1].
Конфигурация ЦЛ СОВКА-4
На сегодняшний день эта ЦЛ состоит из интерфейсного блока (различного вида), подключенного к нему датчика и ПО, основанного все на той же программе MEASURE 4.5 [4].
Она позволяет:
• считывать данные с мобильного и USB-интерфейсного блока непосредственно в момент измерения;
• считывать сохраненные данные с карты памяти;
• показывать на экране компьютера данные с интерфейсных блоков и карточек памяти в виде графиков и/или цифровых индикаторов;
• проводить простейшую математическую обработку результатов;
• экспортировать/импортировать данные в/из текстового формата.
Самым интересным в этой цифровой лаборатории сейчас являются широкие возможности, которые реализуются в учебном эксперименте при использовании любого из трех видов интерфейсных блоков:
• мобильный интерфейсный блок (Mobile Link) - для отображения информации непосредственно на жидкокристаллическом экране и сохранения ее в карте памяти SD; с ним поставляется устройство для чтения карт памяти;
• USB интерфейсный блок (USB-Link) - для подключения датчиков к компьютеру по USB-порту;
• беспроводной интерфейсный блок (Wireless Link) - для беспроводного подключения датчиков к компьютеру [1].
Чтобы легче было разобраться с широкими возможностями ЦЛ в учебном эксперименте, приведем описание различных интерфейсных блоков.
Мобильный интерфейсный блок (Mobile Link)
Предназначен для автономного получения данных и сохранения их на карте памяти (прилагается) [4] Частота опроса устройства составляет 1 кГЦ. Карта вставляется в интерфейсный блок. Данные с нее считываются через кард-ридер (входит в комплект поставки). Формат данных читается программой Measure 4.5. Для возможного считывания данных напрямую в ПК можно использовать устройство Displey Connect.
На передней панели блока находятся жидкокристаллический индикатор и следующие управляющие кнопки (рис. 7, а):
• включение/выключение (автоматическое выключение происходит через десять минут бездействия);
• навигационные стрелки (используются для выбора каналов в многоканальных датчиках и перемещений между пунктами меню);
• подтверждения выбора - «ОК» (нажимают, если нужно запустить/остановить процесс измерения, подтвердить выбор пункта меню).
Датчики подключаются к разъему на верхней панели. Они фиксируются путем совмещения грибовидной защелки с отверстием. Обмен данных происходит по 15-контактному разъему (рис. 7, б).
На нижней панели интерфейсного блока находится USB-разъем (рис. 7 , в).
Блок питается двумя элементами питания типоразмера АА. Рекомендуется использовать никель-металлогидридные аккумуляторы. Чтобы заменить элементы питания, нужно отжать защелку нижней панели острым предметом, извлечь нижнюю панель, поменять батарейки с соблюдением полярности и вставить нижнюю панель на место. Элементов питания емкостью 2700 мА-ч хватает приблизительно на 8 часов непрерывной работы (рис. 8).
Беспроводное устройство связи COBRA-4 Wireless Lime предназначено для обеспечения радиосвязи между 1Ж (к которому через USB подключено беспроводное устройство управления COBRA-4) и датчиковым модулем COBRA-4. Подобное
беспроводное устройство связи - это первое стабильно работающее устройство, позволяющее получать информацию с датчиков дистанционно. Частота опроса 125 кГц. Оно снабжено разъемом D-Sub (15 контактов) для подключения к датчиковому модулю COBRA-4 и радио-модулем. Радио-модуль работает на частоте 2,4 ГГц и обеспечивает связь с Беспроводным устройством управления COBRA- 4 Wireless Manager. Рабочее расстояние для передачи сигнала без препятствий составляет 20 м. Максимальное количество данных, которое возможно получить при проведении длительных экспериментов - это 1 ООО ООО точек.
а б в
Рис. 7. Мобильный интерфейсный блок: а) передняя панель, б) 15-контактный разъем, в) USB-разъем
а б
Рис. 8. Замена элементов питания: а, б - последовательность действий
Карту памяти (8Б) вставляют в слот на левой панели блока. Объем карты памяти не должен превышать 2 Гб (рис. 9).
Следует обратить внимание пользователей на очевидный недостаток подобного интерфейсного блока, который выражается в том, что мобильный интерфейсный блок не защищен от попадания пыли, влаги и радиопомех. Тем самым ограничивается диапазон применения подобной системы в полевых условиях.
Питание устройства обеспечивается двумя перезаряжаемыми батарейками типа АА.
COBRA- 4 Wirekess Link снабжено различными элементами для отображения состояния, показа идентификации датчика и управления устройством.
Поскольку программа Measure русифицирована, то работа с подобными беспроводными устройствами не сложна даже для учащихся 9-го класса .
Беспроводное устройство управления COBRA-4 Wireless Manager предназначено для обеспечения радиосвязи между ПК и Беспроводным устройством связи COBRA- 4 Wireless Link и удалённым устройством связи COBRA -4 Remote Link. Устройство снабжено USB-разъемом для подключения к ПК и радио-модулем, работающим на частоте 2,4 ГГц, обеспечивающим связь с COBRA- 4 Wireless Link и COBRA- 4 Remote Link
Беспроводное устройство управления COBRA-4 Wireless Manager снабжено светодиодным индикатором состояния. Состояние беспроводного соединения, т.е. качество сигнала, состояние внутреннего ПО устройства и внутренней памяти могут быть вызваны нажатием на значок Wireless Manager.
Рис. 9. Какрта памяти для мобильного интерфейсного блока
К одному ПК может быть подключено несколько устройств управления COBRA -4 Wireless Manager. Скорость передачи данных при этом останется неизменной, но увеличится количество подключаемых датчиков. Кроме того, к каждому устройству Wireless Manager может быть подключено до 99 беспроводных устройств связи COBRA 4 Wireless Link.
Устройство COBRA-4 USB Link предназначено для обеспечения связи между ПК и датчиковым модулем C0BRA-4. Оно снабжено разъемом D-Sub (15 контактов) для подключения к датчиковому модулю C0BRA-4. Питание устройства обеспечивается ПК через USB-интерфейс. Этот интерфейс является самым высокоскоростным, обеспечивая частоту опроса 400 кГц. COBRA-4 USB-Link снабжено различными элементами для отображения состояния, показа идентификации датчика и для управления устройством.
К каждому ПК может быть подключено до 99 устройств связи с датчиковыми модулями. Интерфейс для подключения датчикового модуля COBRA- 4 находится в передней части устройства. Для повышения надёжности закрепления датчикового модуля на интерфейсе используются специальные защёлки. На задней крышке устройства находится разъем mini-USB. С его помощью осуществляется подключение кабелем к USB-разъему ПК. Датчик автоматически определится программой Measure и отобразится в её интерфейсе. Дальнейшая работа с устройством: измерения, запись, изменение параметров и т.п. производится через программу Measure на ПК.
Измерительная система, к сожаленью, снабжена малым количеством датчиковых модулей (их всего 7 штук) и не совместима с датчиковыми модулями системы COBRA-3.
Датчиков ый модуль Force ( диапазон измерений ЮН и 40Н) ( см. рис. 5) содержит полупроводниковый чувствительный элемент, который преобразует механическую нагрузку в электрический сигнал.
Датчиковый модуль для записи данных может быть подключен к одному из следующих инструментов:
• COBRA- 4 Wireless Link для передачи данных на ПК по радиоканалу;
• COBRA- 4 USB Link для передачи данных на ПК с помощью USB-кабеля;
• переносному устройству COBRA-4 Mobile Link для записи данных эксперимента на карточку памяти устройства.
Чувствительный элемент находится внутри корпуса модуля. Платформа для измерения прикладываемой силы может быть подсоединена к верхней части модуля. Крюк в нижней части устройства предназначен для измерения силы натяжения. Металлический стержень для крепления модуля на штативе может быть присоединён как сверху, так и снизу.
Точность измерения с помощью датчикового модуля силы составляет 0,2 мН.
Датчиков ый модуль 3D-Acceleration (диапазон 2g-6g) содержит чувствительный элемент с тремя ёмкостными датчиками ускорения, расположенными взаимно перпендикулярно. Ускорение, которое испытывают датчики, приводит в движение подвижные пластины конденсаторов в датчиках, тем самым изменяя их ёмкость. Изменение ёмкости преобразуется в электрический сигнал.
Датчиковый модуль для записи данных может быть подключен к одному из следующих инструментов:
• COBRA 4 Wireless Link для передачи данных на ПК по радиоканалу;
• COBRA 4 USB Link для передачи данных на ПК с помощью USB-кабеля;
• переносному устройству COBRA- 4 Mobile Link .
Датчики находятся внутри корпуса модуля. Три датчика закреплены параллельно рёбрам корпуса. Направления осей, вдоль которых ориентированы датчики, изображены на верхней поверхности модуля.
При установке датчикового модуля на измерительное устройство, модуль будет готов к работе после короткой самокалибровки. Дальнейшая работа осуществляется через измерительное устройство. Ускорение, измеряемое тремя датчиками, может быть представлено в разных единицах измерения: g или м/с2. Единицы измерения могут быть выбраны на ПК или переносном измерительном устройстве.
Точность измерения датчика ускорения в диапазоне 2g составляет 0,00 lg.
Датчиковый Модуль Temperature («Температура», полупроводниковый, -20 ....+110°С)
Датчиковый модуль может быть подключен к одному из следующих инструментов для записи данных:
• COBRA- 4 Wireless Link для передачи данных на ПК по радиоканалу;
• COBRA- 4 USB Link для передачи данных на ПК с помощью USB-кабеля;
• переносному устройству Cobra- 4 Mobile Link.
Чувствительный элемент находится на кончике 20-сантиметрового металлического стержня.
Точность датчика температуры 0,5°С.
Датчиковый модуль «Климат» содержит датчики, которые одновременно измеряют давление воздуха, относительную влажность, температуру воздуха и интенсивность освещения. В зависимости от необходимости, он может быть подключен к одному из следующих инструментов для записи данных:
• COBRA- 4 Wireless Link для передачи данных на ПК по радиоканалу;
• COBRA- 4 USB Link для передачи данных на ПК с помощью USB-кабеля;
• переносному устройству COBRA 4 Mobile Link .
Все чувствительные элементы находятся внутри корпуса датчикового модуля, непосредственно под измерительными отверстиями. Измерительное отверстие для измерения интенсивности света расположено в передней части модуля; отверстия для измерения температуры, влажности и давления - на верхней и нижней поверхностях датчикового модуля.
Технические характеристики
Давление воздуха:
• диапазон измерений (мбар): 10 - 1100;
• точность измерений (мбар): ±1,5;
Температура:
• диапазон измерений (°С): -40... + 125;
• точность измерений (°С): ± 0,5.
Относительная влажность:
• диапазон измерений (%): 0 -100;
• точность измерений (%): ± 5.
Интенсивность освещения:
• диапазон измерений (лк) 0 - 100,000;
• измеряемая длина волны (нм) 320 - 1050.
Переходник для датчиков pH и температуры (датчиковый модуль «Химия») служит для подключения датчиков pH или электрохимического потенциала, а также двух датчиков температуры NiCr-Ni. Датчики подключаются к соответствующим переходникам, в которых находится система согласования сигнала (преобразующая сигнал с датчика в единый формат). Переходник для датчика электропроводности и температуры непосредственно подсоединен к датчикам. Переходник для датчиков pH и термопары един.
Для измерения кислотности вещества к переходнику нужно подключить рН-электрод (разъем BNC), для измерения температуры - термопару NiCr-Ni (плоский двухштырьковый разъем). Термопара, подключенная к разъему 1, обозначается как канал Т1, к разъему 2 - как Т2.
Датчик электропроводности и температуры (Conductivity, temp) предназначен для измерения электропроводности и температуры растворов. Чувствительные элементы на электропроводность и температуру объединены в одном корпусе.
Электропроводность измеряется в трех диапазонах (таблица.).
Параметр Значение
Диапазон, мСм/см До 2 До 21 До 210
Погрешность, % ±6 ±6 ±6
Чувствительность, мкСм/см од 1 1
Диапазон измерений температуры 0-100°С с точностью ±0,8°С и чувствительностью
0,ГС.
Датчик pH:
• диапазон измерений, ед. pH - 0 - 14;
• чувствительность, ед. pH - 0,01;
• погрешность измерений (%): ± 0,5.
Кончик датчика стеклянный - обращаться с ним следует с осторожностью, не погружать в растворы силикатов и фторидов
Датчик температуры.
• диапазон измерений (°С): - -200... +1200;
• чувствительность (°С) - 0,1.
Цифровые лаборатории компании РНУ\¥Е в работе учителя
После такого количества технической информации, конечно, необходимо остановиться на том, как работают уже сейчас в России с этим оборудованием.
Повторюсь, что ЦЛ СОВКА-3 поставляется, в основном, в вузы и работает во многих городах нашей страны уже несколько лет. В некоторых вузах в учебном процессе применяются переводные описания работ с немецкого языка, в некоторых - описания сделаны для работы с установками самими преподавателями, как, например, в Петрозаводском государственном университете, под руководством профессора А.И. Назарова [2].
ЦЛ СОВКА-4 только начала поставляться в августе 2008 года в школы Казани, в 2009 году в несколько школ Москвы и в значительно большем количестве (порядка 30 школ) в школы г. Ростов-на -Дону [4].
Для того чтобы учителя смогли работать, в том числе и с цифровыми лабораториями компании РНУА¥Е, также как и с остальным оборудованием компании (например, с демонстрационным оборудованием), в 2009 году командой методистов под руководством автора статьи были составлены методические описания для учителей по физике, химии и биологии. По физике методические описания составили приблизительно 1000 страниц текста и не всегда являются переводным методическим продуктом. Эти описания даны в соответствии с российской методической системой и программой базовой ( в ряде случаев профильной) школы. Конечно, методические материалы всегда могут и должны дописываться и редактироваться при контакте с учителями-предметниками, работающими на этом оборудовании [1].
У автора статьи есть опыт применения оборудования ЦЛ СОВКА-4 в проектной работе учащихся по физике. В 2009-2010 году ученики 9-го класса ГОУ «Лицей №1502» при МЭИ (г. Москва) выполнили работу «Акселерометр в школьном учебном эксперименте». Первая работа с датчиком ускорения получилась очень интересной, благодаря во многом ранее недоступным учителю аппаратным возможностям беспроводного интерфейса.
Библиографический список
1. Компьютеризированный эксперимент с использованием системы «COBRA 4»: книга для учителя [Текст] / Пер. и адаптация М.А. Петровой - М., 2008 - 155 с.
2. Лопаткин, Р.Ю. Роль мультимедийных систем в информационной среде обученияьна примере программно-методического комплекса INTERNESS [Текст] / Р.Ю. Лопаткин, А. Грюнемайер, М.И. Колесник // Материалы X международной конференции ФССО-09. - СПб. 2009. Т. 2. - С. 187-190.
3. Петрова М. А. Многообразие датчиковых систем для компьютеризированного физического эксперимента. ИКТ в образовании [Текст] / Вестник ПГПУ. - Пермь: ПГПУ, 2009. - Вып.5. - С. 146-158.
4. COBRA-4. PHY WE .PHY SICS. CHEMISTRY. BIOLOGY PHYWE System Gmbh&Co/KG.-17
5. PHYWE. Лабораторные эксперименты по физике. PHYWE System Gmbh&Co/KG.-87
