• А.А. Карачёв, к.т.н., профессор, декан факультета технологии и предпринимательства Московского педагогического государственного университета,


• В.В. Агафонцев, к.т.н., заведующий кафедрой математических и естественных наук Филиала Санкт-Петербургского государственного инженерно-экономического университета в г. Пскове,


• В.В. Ахмедьянов, инженер-программист-электронщик Филиала Санкт-Петербургского государственного инженерно-экономического университета в г. Пскове,


• А.Н. Воробьёв, начальник комплексной научно-технической лаборатории Филиала Санкт-Петербургского государственного инженерно-экономического университета г. Пскове

Cуществующие в настоящее время информационные технологии позволяют обеспечить выполнение учебного физического и технологического эксперимента как в автоматизированном, так и в полуавтоматизированном варианте. Ниже, для краткости, будем называть технические средства, ориентированные на выполнение учебного физического или технологического эксперимента, общим термином – экспериментальный стенд. Как для автоматизированного, так и для полуавтоматизированного варианта экспериментального стенда главная задача использования информационных технологий состоит в том, чтобы оперативно передать в вычислительную среду информацию, снимаемую с датчиков измерений и в реальном масштабе времени обеспечить последующую обработку этой информации. Решение данной задачи современными средствами информационных технологий предполагает:

1)автоматический перевод значений физических величин, снимаемых с датчиков измерений, из аналоговой формы в цифровую;
2)автоматическую передачу цифровой информации в вычислительную среду;
3)автоматическое накопление и обработку принятой информации.

В автоматизированном варианте экспериментального стенда управление исполнительными механизмами, задающими желаемое состояние экспериментального стенда, выполняется автоматически, точнее, программируется. Наиболее известной отечественной реализацией автоматизированного варианта экспериментального стенда является автоматизированный лабораторный практикум (АЛП), созданный в МГТУ им. Н.Э. Баумана группой разработчиков под руководством профессора А.М. Зимина. Аппаратная среда реализации АЛП включает в себя ЭВМ (LAB-сервер), цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), исполнительные механизмы, экспериментальный стенд, датчики, аппаратуру предварительной обработки сигналов (АПОС), нормализаторы, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), устройство сопряжения с объектом (УСО). В принципе, аппаратная среда такой конфигурации во многих случаях позволяет осуществить на ближнем компьютерном доступе управляемый физический и технологический эксперимент, протекающий в реальном времени. Важным достоинством АЛП является то, что он может быть реализован в варианте удалённого компьютерного досту – это такой режим функционирования АЛП, при котором работа с физическим объектом осуществляется с компьютера, удалённого на сколь угодно большое расстояние от места размещения самого объекта. Для краткости обозначения используется аббревиатура АЛП УД. Реализация удалённого доступа предполагает использование WEB-сервера. Очевидно, что применение АЛП УД целесообразно не только в рамках дистанционного и открытого образования, но и при использовании традиционных очных форм проведения учебного процесса.
В полуавтоматизированном варианте экспериментального стенда управление исполнительными механизмами, задающими желаемое состояние экспериментального стенда, осуществляется оператором (то есть вручную), а считывание информации с датчиков экспериментального стенда выполняется автоматически.
Известен полуавтоматизированный вариант экспериментального стенда, представленного известной лабораторией «АРХИМЕД», широко используемой для комплектования кабинетов физики средних общеобразовательных школ. В названной лаборатории информация от датчиков экспериментального стенда с помощью программы ImagiProbe автоматически записывается в карманный персональный компьютер (КПК) Palm, обрабатывается и может быть отображена на его дисплее в цифровом и (или) графическом виде. Затем КПК Palm отключается от экспериментального стенда и электрически (с помощью шлейфа) подключается к персональному компьютеру (ПК). После этого с помощью процедуры HotSync осуществляется перепись данных из Palm на ПК и последующая их обработка программой Multilab. Главный архитектурный недостаток лаборатории «АРХИМЕД» состоит в необходимости перекоммутации устройств, что выводит процесс обработки информации при удалённом доступе из реального времени и, следовательно, делает проблематичным реализацию управляемого физического и технологического эксперимента. С другой стороны, использование КПК Palm вместо LAB-сервера заставляет задуматься над поиском оптимальных вычислительных мощностей, обеспечивающих обслуживание экспериментального стенда.
Сопоставляя (с позиции пользователя) кратко описанные автоматизированный и полуавтоматизированный варианты экспериментального стенда, можно отметить:

• техническую сложность автоматизированного варианта, из чего вытекает целесообразность его использования для доступа к уникальным стендам академических и отраслевых научных организаций, что особенно целесообразно для высшей школы;


• техническую простоту полуавтоматизированного варианта, из чего следует целесообразность его применения, прежде всего в учреждениях общего среднего образования.

Рассмотрим предложенную авторами аппаратурно-программную среду Intelcon, являющуюся в настоящее время полуавтоматизированным вариантом экспериментального стенда, но имеющую потенциальные возможности автоматизированного варианта. Отметим, что её организация и функционирование; в данной работе сделан акцент на программной стороне.
Аппаратурно-программная среда (АПС) Intelcon:

1)автоматическое снятие данных с работающей физической или технологической установки, передачу этих данных по «короткому» (маломощному) радиоканалу в персональный компьютер (ПК) с последующим выходом в ИНТЕРНЕТ для передачи снятых данных от передающей к приёмной стороне в реальном масштабе времени(с учётом алгоритма Нагля)
2)отображение принятой информации на мониторах (экранах) принимающей стороны, либо в варианте виртуального осциллографа (т.е. в графической форме), либо в форме массива данных, которые могут конвертироваться в популярную электронную таблицу Еxcel и обрабатываться её инструментарием. Отметим, что и в первом, и во втором случае осуществляется сохранение и просмотр информации средствами графического интерфейса пользователя ОС Windows;
3)возможность передачи управляющей информации от персонального компьютера по «короткому» (маломощному) радиоканалу на объект управления, которым может быть физическая или технологическая установка (в том числе и движущаяся). Это свойство позволяет использовать аппаратурно-программную среду в управляемом физическом и технологическом эксперименте.

Выше отмечалось, что в аппаратурно-программной среде Intelcon используется «короткий» (маломощный) радиоканал. Трансивер радиоканала работает на частоте 433 МГц. Выбор такой частоты обусловлен документом Радиочастотного центра «О выделении частот 433,075–434,775 МГц гражданского диапазона для маломощных радиостанций и прочих излучающих устройств с мощностью не выше 10 МВт. Класс излучения 16K0F3E» от 06.12.2004 г. №04-03-04-001.
Рассмотрим наиболее интересную часть аппаратурно-программной среды Intelcon, представленную компьютерной программой обработки информации. После запуска программы на экране появляется стартовое окно программы INTELCON, в котором спозиционирован курсор. В данном окне можно набрать с клавиатуры символьную информацию (в том числе и команды управления). На рис. 2 показано окно после набора текста.
Щелчок по кнопке Отправить обеспечивает передачу информации на блок PIC-контроллера и её отображение на жидкокристаллическом индикаторе. Этот режим можно использовать для демонстрации принципа пейджинговой связи, а также для передачи команд управления на физические или технологические установки.
Рассмотрим приём информации от экспериментальной установки. Программа INTELCON обеспечивает два режима обработки и вывода на экран монитора принятой информации: режим виртуального осциллографа и режим массива данных. На рис. 3 показан езультат работы режима виртуального осциллографа для физической установки, представляющей собой маятник затухающих колебаний.
Для любой точки полученной осциллограммы простыми манипуляциями с вкладками можно найти числовое значение. Выполняется и обратная операция: по числовому значению показывается соответствующая точка на осциллограмме.
В стандартных соглашениях с ОС Windows можно выполнять любые операции над файлами, то есть сохранять информацию, удалять и т.д.
Рассмотрим работу программы INTELCON в режиме приёма массива данных от экспериментальной установки. Открытием соответствующих вкладок пользователем создаётся таблица измерений. В таблице задаются необходимое количество и названия столбцов с параметрами величин, а также число строк, соответствующее числу измерений. Но приём данных начнётся после того, как блок PIC-контроллера с радиомодемом будет переведён в режим приёма информации от экспериментального стенда. После этого блок PIC-контроллера приступит к выдаче информации в радиоканал, а на принимающем ПК программа INTELCON начнёт автоматическое заполнение таблицы. На рис. 4 приведён пример заполнения таблицы для физической установки прецизионного измерения временных интервалов при поступательном движении твёрдых тел (в данном случае измерялось время падения стального шарика с заданной высоты с нулевой начальной скоростью).
После заполнения последней строки таблицы приём данных автоматически завершается и осуществляется конвертирование данных в популярную электронную таблицу Excel.
Рассмотрим работу аппаратурно-программной среды при удалённом доступе. Целесообразность проведения лабораторных работ при условии удалённого доступа хорошо изложена.
Применительно к физическому и технологическому обучению в средней общеобразовательной школе можно добавить следующее.
1. Во многих случаях станет необязательным в каждой школе содержать дорогостоящую лабораторную базу (по крайней мере, в части физического и технологического эксперимента) и высококвалифицированный обслуживающий технический персонал. В то же время в школах на лекционно-лабораторных занятиях можно обеспечить удалённый доступ (через Интернет) к современной материально-технической базе и, следовательно, вести обучение в ногу со временем.
2. Использование удалённого доступа на уроках физики и технологии в средней общеобразовательной школе явится начальным этапом приобщения учащихся к современному техногенному миру и, в частности, к автоматизированным лабораторным практикумам удалённого доступа типа АЛП УД разработки МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Для работы АПС Intelcon при удалённом доступе на компьютерах принимающей стороны (на ПК учителя и на ПК учеников) должна быть установлена сетевая версия программы INTELCON, занимающая 987 Кбайт. После запуска программы на каждом из ПК простыми манипуляциями осуществляется её настройка на режим Приём по сети. Принимающая сторона готова к приёму данных.
На передающей стороне после запуска программы INTELCON и начальной установки блока PIC-контроллера в исходное состояние передающая сторона готова к передаче данных. В процессе передачи каждое измерение немедленно передаётся на ПК, а он, в свою очередь, транслирует это каждое измерение в сеть Интернет. Таким образом, с точностью до алгоритма Нагля при снятии информации с экспериментального стенда обеспечивается режим реального времени. Для достижения эффекта живого общения между передающей и принимающей сторонами параллельно с программой INTELCON запускается программа типа Skype. Через эту программу передаётся видеоизображение работающего экспериментального стенда, ведётся в режиме диалога всё речевое общение между передающей и принимающей сторонами. Именно по такой схеме 6 декабря 2006 года в профессиональном лицее №15 г. Пскова, а 7 декабря – в средней общеобразовательной школе посёлка городского типа Пыталово (Псковская область) были проведены открытые уроки по физике. В ходе уроков учащиеся через удалённый доступ снимали информацию с работающих физических установок, находящихся в научно-технической лаборатории Филиала Санкт-Петербургского государственного инженерно-экономического университета в г. Пскове. Видеоизображение экспериментальных установок (физической установки для прецизионного измерения времени падения стального шарика и физической установки Математический маятник) через ПК учителя выводилось на большой экран. В начале занятия лаборант на передающем конце в форме диалога рассказал об этих установках. Затем, в соответствии с запросом приёмной стороны, устанавливал их в заданное исходное состояние, обеспечивающее последующий автоматический съём данных. Ученики видели на большом экране работающую физическую установку, а на своих мониторах - снимаемые с установки данные, поступающие в реальном времени. Проведённые занятия показали, что хорошее качество связи обеспечивается при пропускной способности Интернет-канала от 256 Кбит/сек.
Выше рассмотрена одна сторона работы АПС Intelcon, связанная со снятием данных с экспериментальной установки. В настоящее время разработчики приступили к решению задачи, связанной с управлением через удалённый доступ технологическими установками. Так, в настоящее время завершается создание графического интерфейса для задания программы работы прецизионного координатно-сверлильного станка. Эта программа от ПК-сервера через Интернет будет передаваться на ПК клиента, управляющего станком. Точнее, данный ПК будет управлять станком не напрямую, а через PIC-контроллер, который непосредственно взаимодействует со станком. Контроллер выступает в качестве буферизирующего устройства, получающего от ПК клиента программу сверления по мере необходимости (то есть как бы всё время подпитываясь данными).
Очевидно, что постановка и решение в процессе школьного обучения задач подобной направленности имеет большое практическое значение, так как создаст хорошие предпосылки для подготовки в процессе последующего профессионального образования специалистов современного уровня: рабочих, инженеров, исследователей.