Использование технологий National Instruments для углубленного изучения школьниками дисциплин естественнонаучного цикла

Государственное бюджетное учреждение дополнительного образования

Дворец творчества детей и молодежи

«Молодежный творческий Форум Китеж плюс»

Статья

«Использование технологий National Instruments для углубленного изучения школьниками дисциплин естественнонаучного цикла»

Подготовила методист, к.п.н.

Дмитриева Ольга Александровна

Санкт-Петербург

2016

Использование технологий NationalInstruments для углубленного изучения школьниками дисциплин естественнонаучного цикла

Жизнь современного человека жизнь немыслима без компьютеров. Большие и маленькие вычислительные устройства можно найти в составе и простого мобильного телефона и огромной космической ракеты. В современной школе компьютеры также играют важную роль. Несомненные плюсы использования компьютера учащимися – это возможность быстрого поиска и обработка информации (при написании сочинений, рефератов, создании презентаций и т.д.). Разнообразные компьютерные мультимедийные обучающие программы позволяют расширить знания по предмету в интерактивном режиме, а иногда и в игровой форме. Полезна и возможность спонтанного общения школьников между собой и с преподавателем в процессе изучения материала с помощью различных форумов, чатов, электронной почты, и даже социальных сетей (конечно в разумных пределах).

Вместе с тем, в обычных школах очень слабо используется еще одна крайне важная функция современного компьютера. Он может являться интеллектуальным центром управления различными устройствами, с его помощью можно контролировать и управлять сложными процессами. И хотя в своей профессиональной деятельности мы не видим в такой роли компьютера ничего особенного, то в школьном образовании это направление компьютеризации почти не используется. А ведь сколько интересных экспериментов например можно было бы провести в школьном кабинете физики или химии, если на занятиях использовать лабораторные стенды, управляемые компьютером! В простейшем случае это может быть регистрация измеряемых величин (например значения электрического тока в исследуемой цепи) с последующим построением на экране компьютера графиков изменения их во времени анализа динамики происходящих процессов. При этом школьники освобождаются от рутинных, скучных операций, связанных с “ручной” регистрацией результатов экспериментов, могут анализировать быстротекущие или наоборот длительные процессы. А кроме того знакомятся с принципами организации современных научных исследований, в которых грамотное решение вопросов подготовки и анализа результатов экспериментов играют порой решающее значение.

Конечно, существует специальное школьное лабораторное оборудование, которое предполагает сопряжение с обычным бытовым компьютером. Но как правило такие системы стоят весьма дорого, а кроме того набор возможных экспериментов, которые можно с ним проводить обычно ограничен. Кроме того, с точки зрения обучения куда важнее предоставить возможность школьнику самому собрать лабораторную установку и самому обеспечить ее подключение к компьютеру.

Для решения этой задачи прекрасно подходит идеология виртуальных приборов, которая уже около 40 лет эффективно используется компанией NationalInstruments (USA) – мировым лидером в области автоматизации измерений и управления сложными техническими системами. Успех от применения этих технологий подтверждают такие знаковые проекты современности, как адронный коллайдер в Церне или возвращаема космическая система компанииSpaceX, системы управления которых построены именно на виртуальных приборов компанииNI.

В этой технологии виртуальным прибором называется не просто мультимедийный образ несуществующего объекта. Напротив, с помощью управляющего компьютера создается система, которая измеряется реальные сигналы и управляет реальными устройствами. Конечно, при этом автор должен с помощью специального инструментария описать работу (или запрограммировать функции) создаваемого прибора. Для этого компания NI разработала специальную среду графического программирования Labview (Laboratoryvirtualinstrumentselectronicworkbench). Ее отличительная особенность - исключительно дружественный интерфейс, позволяющий собирать систему любой сложности из отдельных модулей, приблизительно так, как это происходит в конструкторе LEGO. Очень просто! И с первыми несложными проектами, способными например измерять и выводить на экране показания датчика температуры вполне может справиться ученик средней школы после пары уроков. Но по мере освоения технологий NI автор может начинать использовать все более сложные и профессиональные модули, одновременно изучая необходимую теорию по методам измерения, управления и обработки.

Конечно, чтобы созданные учащимися виртуальные приборы “оживили” разработанные ими устройства, приборы, стенды, нужны средства сопряжения с персональным компьютером. И такие средства выпускаются компанией NationalInstruments в огромном ассортименте. Трудно найти такой датчик или прибор, к которому было бы невозможно было подобрать соответствующий блок сопряжения (DAQ – card). Но для большинства ученических проектов вполне подойдет универсальная платформаELVIS, сочетающая в своем составе оборудование как для прототипирования (разработки собственных проектов) электронных устройств, так и набор стандартных виртуальных инструментов (программируемый источник питания, мультиметр, осциллограф, анализатор спектра и т.д.).

Не составляет никакого труда с помощью этого стенда, например, выполнить в автоматизированном режиме следующие лабораторные работы по физике и информатике:

Цифровой термометр

Исследование сетей переменного тока

Фильтры на основе операционных усилителей

Цифровой ввод – вывод

Датчик магнитного поля

Применение светодиодов

Беспроводная оптическая передача сигналов

Беспроводная радиочастотная связь

Управление движением

Формирование новых автоматизированных лабораторных работ ограничивается только имеющимися датчиками и исполнительными элементами учебных стендов, а также фантазией педагогов и учащихся.

Еще одно важное направление автоматизации – это использование компьютерных технологий не в лаборатории а непосредственно на исследуемом объекте (автомобиле, катере, самолете, ракете). Разработка так называемых встраиваемых систем конечно предъявляет к разработчикам – юным исследователям дополнительные требования к знаниям в области теории управления и конструирования. Однако и здесь существует серия недорогой продукции компании NI, позволяющей создавать школьникам собственные проекты (это системы MiRIO и Single-boardRIO). Их особенность состоит в том, что виртуальный прибор создается не для обычного настольного компьютера, когда оператор может следить на экране за происходящим процессом в реальном масштабе времени. Необходимо уже создать настоящий искусственный интеллект, который позволит встраиваемым системам без участия человека вести процесс анализа и управления. Это конечно сложнее, но и значительно интереснее!

Список рекомендуемой литературы:

Блум Джереми Изучаем Arduino: инструменты и методы технического волшебства: Пер. с англ. – Спб.: БХВ-Петербург, 2015. – 336 с.: ил.

Евдокимов Ю.К., Линдваль В.Р., Щербаков Г.И.. LabVIEW для радиоинженера: от виртуальной модели до реального прибора. Практическое руководство для работы в программной среде LabVIEW. – Москва: ДМК Пресс, 2007, 400 с. 

Магда Ю.С. LabView: практический курс для инженеров и разработчиков. – М.: ДМК Пресс, 2014. – 208 с.

Петин В.А. Arduino и Raspberry Pi в проектах Internet of Things. – Спб.: БХВ-Петербург, 2016. – 320 с.: ил. – (Электроника)

http://www.ni.com/ru-ru.html

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/213159-ispolzovanie-tehnologij-national-instruments-