SEMINARIUM CZĘŚĆ I Przegląd wirtualnych przyrządów i

VccSSe
Virtual Community Collaborating Space for Science Education
“Przyrządy i narzędzia wirtualne w przedmiotach przyrodniczych ”
SEMINARIUM
CZĘŚĆ I
Przegląd wirtualnych przyrządów i narzędzi
Czas trwania: 2 godziny
Spis treści:
A.: Wstęp
B.: Oprogramowanie wirtualnych zestawów edukacyjnych
C.: Wirtualne przyrządy i narzędzia jako istotne wsparcie procesu kształcenia
D.: Dokumentacja dotycząca wirtualnych przyrządów i narzędzi
E.: Zadanie
F.: Bibliografia
A. Wstęp
Idea wirtualnych przyrządów, wprowadzona 20 lat temu przez National Instruments bazuje
na koncepcji, która umożliwia użytkownikom i równocześnie konstruktorom urządzeń
wirtualnych budować przyrządy odpowiadające ich konkretnym zapotrzebowaniom zamiast
wymuszać przystosowanie ich potrzeb do istniejącego już sprzętu. [1]
Wirtualny przyrząd (VI) składa się z komputera lub stacji roboczej wyposażonej w
odpowiednie oprogramowanie, karty pomiarowe oraz sterowniki urządzeń, które w całości
realizują funkcje analogiczne do funkcji charakterystycznych dla przyrządów tradycyjnych. W
przeciwieństwie do systemów, w których podstawową część stanowią przyrządy tradycyjne
wspomagane komputerowo, w systemach bazujących na przyrządach wirtualnych główną
rolę pełni oprogramowanie umożliwiające wykorzystanie komputerów lub stacji roboczych nie
tylko do sterowania urządzeniami zewnętrznymi, lecz również do zbierania i analizy danych
oraz ich wizualizacji.
Komputer, w takich systemach, pełni funkcję interfejsu użytkownika, a ponadto umożliwia
przetwarzanie danych pomiarowych, dostarczanych przez karty pomiarowe i przyrządy
stacjonarne za pośrednictwem różnego typu magistrali. Powszechnie używane systemy
komputerowe to systemy wykorzystujące komputery klasy PC kompatybilne z komputerami
IBM, chociaż istnieją systemy bazujące na innych systemach operacyjnych, takich jak
Macintosh, Unix lub standard VME. [3]
Istnieje wiele różnych środowisk programistycznych, które umożliwiają konstrukcję
przyrządów i narzędzi wirtualnych, do których można zaliczyć takie jak:
- LabVIEW (produkt National Instruments);
- różne wersje programu Basic (w tym Visual Basic, Quick Basic, itd.);
- inne języki i środowiska programowania (w tym C, C++, ActiveX, Java, itd.)
Oprogramowanie jest bardzo ważnym komponentem przyrządów i narzędzi
wirtualnych. Za pomocą odpowiednich narzędzi programowania inżynierowie, naukowcy,
również nauczyciele mogą z powodzeniem tworzyć własne aplikacje pisząc różnego rodzaju
procedury, które w połączeniu z innymi fragmentami programu, będą zapewniać wykonanie
oczekiwanych operacji. Mogą oni również opracować interfejs użytkownika, taki, który będzie
najlepiej dostosowany do wykonania zadania, przewidzianego do realizacji za pomocą danej
1
VccSSe
Virtual Community Collaborating Space for Science Education
“Przyrządy i narzędzia wirtualne w przedmiotach przyrodniczych ”
aplikacji, oraz przyjaznego operatorowi. Mogą zdecydować, w jaki sposób i kiedy aplikacja
będzie rejestrować dane dostarczane przez inne urządzenia, w jaki sposób będzie je
przetwarzać, analizować i zachowywać, oraz w jaki sposób wyniki będą udostępniane
użytkownikowi. [4]
Chociaż niewielu użytkowników aparatury doświadczalnej jest przekonanych, że
przyrządy wirtualne zastąpią przyrządy tradycyjne, to wszyscy są zgodni, że koncepcja
przyrządów wirtualnych będzie się coraz bardziej upowszechniać. W systemach, gdzie
pomiary są wysoce zautomatyzowane przyrządy wirtualne dominują. Obecnie, tylko
nieznaczna część badaczy kupuje przyrządy tradycyjne w celu ich wykorzystania w
zautomatyzowanych
systemach
kontrolno-pomiarowych,
preferując
urządzenia
programowalne o charakterze modułowym.
Istnieje przekonanie, że przyrząd wirtualny (VI) powinien raczej uzupełniać, aniżeli
zastępować istniejące systemy kontrolno-pomiarowe sterujące różnego rodzaju procesami.
Urządzenia programowalne do automatycznego sterowania systemami są często nie do
odróżnienia od przyrządów wirtualnych, zauważa NI’s Almgren, zaznaczając, że oba typy
urządzeń są urządzeniami programowalnymi, przy czym, przyrządy wirtualne wykorzystuje
się przede wszystkim do pomiarów, a kontrolery PAC (ang. Programmable Automation
Controllers) do sterowania systemami. [5]
Internet zapoczątkował nową erę udostępniania informacji, w tym danych pomiarowych, i
umożliwił tworzenie sieci zdolnych do zdalnego, za pomocą komputerów, sterowania
przyrządami wirtualnymi, co było niemożliwe do wykonania za pomocą ich stacjonarnych
odpowiedników. Internet wykorzystuje te właściwości przyrządów wirtualnych, które
umożliwiają łatwe udostępnianie w sieci danych, dostarczanych przez przyrządy pomiarowe
oraz ich odczyt za pośrednictwem, na przykład, notesów elektronicznych (PDA), czy nawet
telefonu komórkowego. [6]
Do lat dziewięćdziesiątych programowanie systemów, wykorzystujących przyrządy
wirtualne było zadaniem możliwym tylko i wyłącznie dla profesjonalnych programistów,
którzy pisali odpowiednie programy używając „tekstowych” języków programowania, takich
jak BASIC, C++, czy PASCAL. Dodatkowo, różnorodność potencjalnych możliwości
zastosowania przyrządów wirtualnych wymagała również fachowości, gdyż zastosowany
sposób pomiaru u jednego użytkownika rzadko był możliwy do zastosowania u innego. Na
przykład, jeden użytkownik może być zainteresowany w rejestracji tylko jednej wielkości, np.
temperatury otoczenia, co godzinę i zachowania wszystkich zarejestrowanych wartości w
pliku. Z kolei, inny użytkownik może wymagać, aby kilka pomiarów temperatury,
odnoszących się do monitorowanego w sposób ciągły procesu, a wyłączenie, na przykład,
odpowiedniego zaworu miało miejsce wówczas, gdy wartości temperatury zmierzonej w
kolejnych pomiarach, między dwiema fazami kontrolowanego procesu, różnią się więcej niż
o siedem stopni w przeciągu trzech lub więcej sekund, w trakcie dowolnego 15-minutowego
okresu czasu, oraz aby były rejestrowane dane dotyczące wyłącznie takich zdarzeń.
Opracowanie oprogramowania dla systemów pomiarowych przez profesjonalistów,
używających tekstowych języków programowych, takich jak C++, jest bardzo czasochłonne i
żmudne i z reguły prowadzi do stworzenia programu składającego się z wielu stron kodu
źródłowego, praktycznie nie do odczytania przez nie programistów, i który, z tego powodu,
nie może być zmodyfikowany przez przeciętnych użytkowników takich programów.
W ciągu ostatnich dziesięciu lat pojawiło się kilka komercyjnych produktów
programowych do tworzenia wirtualnych systemów kontrolno-pomiarowych, używających
wyłącznie graficznych metod programowania. Każdy z tych produktów dostarcza
użytkownikom, w tym użytkownikom niebędących wprawnymi programistami, ‘graficzne
środowisko programowania’, w którym można stworzyć własny wirtualny przyrząd lub
narzędzie. Zazwyczaj użytkownik takiego pakietu zostaje zapoznany z narzędziami
2
VccSSe
Virtual Community Collaborating Space for Science Education
“Przyrządy i narzędzia wirtualne w przedmiotach przyrodniczych ”
stosowanymi w środowisku, które generalnie nie powinny być obce użytkownikom
graficznych aplikacji, dostępnych w systemie Windows. W takim środowisku wybór opcji oraz
narzędzi do programowania jest możliwy z paska narzędziowego, w okienkach dialogowych
lub rozwijalnych menu, zaznaczanych za pomocą kursora myszki. [7]
Starsze rodzaje oprogramowania służące opracowaniu wirtualnych przyrządów i
narzędzi stosujące programowanie graficzne, dostarczają użytkownikowi narzędzi do
tworzenia tzw. diagramów przepływu danych. Od użytkownika takich zestawów wymaga się
umieszczania w oknie projektu ikon, reprezentujących odpowiednie komponenty systemu, a
następnie ‘wykonania’ między nimi połączeń. W celu zaprojektowania diagramu przepływu
danych, odpowiedniego dla stosowanego systemu pomiarowego, użytkownik powinien
posiadać stosunkowo głęboką wiedzę oraz rozumienie sposobu przepływu danych, jak
również kombinacji elementów, potrzebnych do osiągnięcia założonego celu, czyli realizacji
założeń sformułowanych dla danego systemu pomiarowego. Systemy opracowane przez
użytkowników tego typu oprogramowania są, z czego trzeba sobie zdawać sprawę, podatne
na popełnianie błędów, ponieważ pozwalają łączyć ze sobą elementy, które, z racji swej
funkcji, mogą być niekompatybilne.
Zakres zastosowań, w których wykorzystuje się systemy kontrolno-pomiarowe, sprzyja
zwiększeniu zakresu aktywności ludzkiej. W związku z tym, systemy oprogramowania,
których celem jest dostarczenie potencjalnym użytkownikom, z różnych dziedzin, narzędzi do
tworzenia systemów kontrolno-pomiarowych, przystosowanych do ich indywidualnych
potrzeb, powinny dostarczać szeroką gamę narzędzi do projektowania, w tym również
narzędzi oraz środków niekoniecznie kompatybilnych w konkretnych zastosowaniach.
Najlepiej, gdyby określony system programowania umożliwiał użytkownikowi łatwy wybór
narzędzi do programowania, najbardziej odpowiednich dla danej aplikacji, jak i zawierał
podpowiedzi ułatwiające użytkownikowi podjęcie decyzji na etapie wyboru rodzaju
konfiguracji. Starsze pakiety oprogramowania nie posiadają wbudowanych zabezpieczeń,
uniemożliwiających realizację projektu, który nie będzie działać, ale w zamian, w sposób
intuicyjny, prowadzą użytkownika w czasie tworzenia własnej aplikację.
Ważną cechą nowoczesnego programowania jest możliwość intuicyjnego prowadzenia
użytkownika w taki sposób, aby wybrał elementy systemu odpowiednie dla swojego projektu,
a które, z drugiej strony, automatycznie uniemożliwiają wybór elementów wzajemnie się
wykluczających.
B.
Oprogramowanie wirtualnych zestawów edukacyjnych
Niektóre najbardziej powszechnie stosowane środowiska
opracowywaniu wirtualnych zestawów w edukacji to:
programowania
służące
B.1. LabVIEW – produkt National Instruments, otwarte graficzne środowisko
programistyczne do szybkiego i optymalnego tworzenia aplikacji, służących projektowaniu
zestawów edukacyjnych, ich testowaniu i sterowaniu urządzeniami. Za pomocą NI LabVIEW
inżynierowie i naukowcy planują i wykonują rzeczywiste eksperymenty, analizują dane oraz
udostępniają wyniki analizy za pośrednictwem wyświetlaczy, raportów i sieci www.
Właściwości LabVIEW sprawiają, że aplikacje użytkowe mogą być tworzone szybko i łatwo
przez każdego, niezależnie od doświadczenia i umiejętności. Na całym świecie różne gałęzie
przemysłu, w tym: przemysł motoryzacyjny, komunikacyjny, lotniczy, półprzewodników,
produkujący sprzęt elektroniczny, sprzęt do kontroli procesów oraz biomedyczny,
wykorzystują środowisko LabVIEW do podniesienia efektywności opracowywania różnego
typu aplikacji. Aplikacje te są wykorzystywane we wszystkich fazach towarzyszących
opracowywaniu i wytwarzaniu konkretnego produktu, od badań po testowanie, produkcję
3
VccSSe
Virtual Community Collaborating Space for Science Education
“Przyrządy i narzędzia wirtualne w przedmiotach przyrodniczych ”
oraz serwisowanie. LabVIEW to graficzny język programowania o szerokich możliwościach z
właściwościami charakterystycznymi dla powszechnie stosowanych języków programowania,
takich jak typy danych, struktury programistyczne, operacje w pętlach, czy też obsługa
zdarzeń. LabVIEW ma wbudowany kompilator, który w czasie edycji służy kompilacji kodu.
W odróżnieniu od innych języków programowania ogólnego przeznaczenia, LabVIEW
zostało stworzone przede wszystkim dla inżynierów i naukowców, i jest wyposażone w
narzędzia uwzględniające ich potrzeby. Zaawansowane funkcje wysokiego poziomu,
wspomaganie tworzenia aplikacji za pomocą wyspecjalizowanych programów asystujących
oraz narzędzia dostępne w tym środowisku sprawiają, że LabVIEW to coś więcej niż język
programowania. LabVIEW współpracuje z platformami Windows XP/2000, Mac OS oraz
Linux. [8]
NI ELVIS (ang. National Instruments Educational Laboratory Virtual Instrumentation
Suite) to środowisko bazujące na pakiecie LabVIEW i wykorzystywane do projektowania
prototypowych urządzeń, stosowanych w nauczaniu na poziomie uniwersyteckim oraz w
laboratoriach inżynierskich. NI ELVIS składa się z wirtualnych przyrządów, opracowanych w
środowisku LabVIEW, wielofunkcyjnego urządzenia do akwizycji danych i stacji roboczej,
dostosowanej do potrzeb użytkownika, oraz karty (płytki) do testów. Wyszczególniony
zestaw to gotowy do zastosowania zestaw urządzeń, które można wykorzystać we
wszystkich laboratoriach służących szkoleniu. Ponieważ wymieniony zestaw bazuje na
LabVIEW i dysponuje środkami do akwizycji danych oraz tworzenia prototypów, to jest to
system idealny do wykorzystania w czasie prowadzenia zajęć na poziomie akademickim,
poczynając od zajęć na niskim poziomie po zaawansowane projekty przewidziane
programami kształcenia. Aplikacje, wykorzystywane w programach kształcenia na poziomie
akademickim, obejmują projekty elektroniczne i telekomunikacyjne, z mechatroniki,
projektowanie przyrządów kontrolno-pomiarowych oraz służących akwizycji danych. [9]
B.2. Cabri Geometry II Plus to oprogramowanie, które pozwala na poznawanie w
sposób dynamiczny geometrii Euklidesowej, geometrii przekształceń i współrzędnych.
Użytkownicy mogą rysować wektory i stożki (w tym elipsy i hiperbole), poznawać równania
podstawowych figur geometrycznych (np. linii, okręgów, elips) oraz wyznaczać współrzędne
punktów.
Użytkownicy mogą również dowolnie przekształcać figury geometryczne, sprawdzać ich
konstrukcję, tworzyć założenia, mierzyć, obliczać, usuwać, zmieniać to lub powracać do
tego, co zostało zrobione wcześniej. Niezmienne własności figur geometrycznych są badane
za pomocą translacji, dylatacji oraz rotacji wykonywanej bezpośrednio na ekranie monitora.
Cabri radzi sobie z wszystkimi konstrukcjami, które studenci tradycyjnie wykonywali za
pomocą linijki, ołówka, cyrkla czy kątomierza, a nawet posuwa się dalej. Linie, okręgi,
punkty, trójkąty, wektory, stożki, itd. łatwo się tworzy, obraca i mierzy za pomocą narzędzi
pobieranych z paska (narzędziowego) i rozwijalnych menu. Studenci mogą przyglądać się
wzorcom, stawiać (formułować) hipotezy, wyciągać wnioski oraz tworzyć alternatywne
rozwiązania (przykłady) danej konstrukcji, dołączać rysunki do dokumentów tekstowych, czy
rozsyłać je za pośrednictwem Internetu w formacie CabriJava. [10]
B.3. Crocodile Clips to programy stworzone specjalnie dla procesu kształcenia i
ukierunkowane głównie na to, co nauczycielom i uczniom jest rzeczywiście potrzebne w
czasie korzystania z oferowanych pakietów. Wspomniane pakiety symulacyjne
charakteryzujące się ogromnymi możliwościami nauczycielom i uczniom dają szansę szybko
i łatwo tworzyć eksperymenty, modelować teorie matematyczne czy symulować
rzeczywistość. Są to wirtualne laboratoria, bezpieczne i precyzyjne. Programy Crocodile
Clips można scharakteryzować w następujący sposób:
4
VccSSe
Virtual Community Collaborating Space for Science Education
“Przyrządy i narzędzia wirtualne w przedmiotach przyrodniczych ”
-
-
-
-
Crocodile Physics to łatwy w użyciu symulator o ogromnych możliwościach
umożliwiający modelowanie praw lub przebiegów zjawisk w dziedzinie elektryczności,
ruchu i sił, optyki i fal.
Crocodile Chemistry to symulowane laboratorium chemiczne, gdzie można łatwo i
bezpiecznie modelować eksperymenty i reakcje chemiczne.
Crocodile Technology 3D to oprogramowanie, które łączy projektowanie elektroniki,
programowanie PIC oraz symulację funkcjonowania mechanizmów 3D (w przestrzeni
trójwymiarowej) i wielowarstwowych płytek drukowanych 3D PCB (ang. Printed
Circuit Board)
Crocodile ICT (ICT - Technologie Informatyczno-Komunikacjne) to narzędzie o
ogromnych możliwościach przeznaczone do nauki sterowania i programowania.
Narzędzie to wykorzystuje prosty interfejs ze schematem blokowym służący do
tworzenia programów, które kontrolują, albo ludzkie działania, albo przebieg animacji
na ekranie sprawiając, iż skomplikowane koncepcje programowe stają się dla
każdego łatwo przyswajalne.
Crocodile Mathematics to przyjazne w użyciu oprogramowanie do matematycznego
modelowania, które można stosować do geometrii i arytmetyki w szkole średniej.
Matematyczne modelowanie jest realizowane w sposób prosty i polega na łączeniu
kształtów, liczb, równań i wykresów w celu stworzenia odpowiedniego modelu. [11]
B.4. Discovery Virtual Instrumentation to oprogramowanie, które rejestruje w
czasie rzeczywistym dane z obwodów elektrycznych i systemów operacyjnych, a następnie
prezentuje je na ekranie. Charakteryzuje się tym, że jest tanie a stosowany sprzęt zajmuje
mniej miejsca w porównaniu z tradycyjnymi systemami kontrolno-pomiarowymi.
Discovery Lab Manager (DLM) jest prostym w użyciu programem, który wzbogaca
oprogramowanie Discovery i umożliwia jego wykorzystanie w laboratorium z zainstalowaną
siecią komputerową. Oto niektóre właściwości DLM:
- Lab Delivery System – wszystkie elementy przeznaczone do nauczania w systemie
e-learningu są dostarczane za pomocą przeglądarki internetowej. System
administruje również zestawem pytań kontrolnych, udostępnianych w formie testów
wielokrotnego wyboru;
- Opiekun kontroluje pracę grupy;
- Dostarczanie danych odbywa się za pośrednictwem sieci www;
- Opieką objęty jest zarówno pojedynczy uczeń jak i cała grupa;
- Uwzględnione jest zarządzanie modułami;
- Sprawozdania są nie trywialne;
- Realizacja zadań przez ucznia (studenta) jest śledzona na bieżąco.
Korzyści płynące z wprowadzenia Discovery Virtual Instrumentation w edukacji są
następujące:
- bardziej efektywne wykorzystanie zasobów laboratoryjnych;
- zwiększenie efektywności pracy ucznia (studenta) w laboratorium;
- bardziej efektywne wykorzystanie czasu opiekuna. [12]
B.5. Instrumentation Widgets™ [13] jest biblioteką zawierającą takie elementy jak
mierniki, wskaźniki, wagi, potencjometry suwakowe i obrotowe, przyciski, pokrętła, zbiorniki,
termometry, przełączniki, matryce, diody świecące LED i szereg innych komponentów z
rozszerzeniem .NET (termin, który da się zastosować do szerokiego zestawu produktów i
technologii Microsoft-u), które symulują realne elementy konstrukcyjne. Cechy:
- 100% elementów należących do rodziny zarządzanej w ramach .NET jest napisanych
w języku C#;
5
VccSSe
Virtual Community Collaborating Space for Science Education
“Przyrządy i narzędzia wirtualne w przedmiotach przyrodniczych ”
-
-
-
Kompatybilny z Visual Studio.NET;
Pełna zgodność wymiany danych. Wszystkie właściwości mogą być przydzielane
źródłu danych każdego rodzaju;
Wszystkie kontrolki są podwójnie buforowane w celu uzyskania animacji bez
migotania;
Sprzęt sprawia wrażenie sprzętu rzeczywistego;
Wszystkie prace graficzne (Grafika) wykonuje się korzystając z GDI+ (ang. Graphics
Device Interface – zazwyczaj stosowanego w odniesieniu do interfejsów Microsoft
Windows, służących do zdefiniowania ustawień ekranu i wydruku), przy czym wybór
rozmiarów komponentu uwzględnia życzenia użytkownika, bez ograniczania rozmiaru
bitmap limitujących kształt elementu konstrukcyjnego;
Komponenty w całości mogą być modyfikowane przez użytkownika. Do tego celu
można zastosować program dostępny w pakiecie i służący do modyfikowania
wyglądu elementu (prawie) pod każdym względem włączając w to rozmiary, kolor,
czcionkę, płaszczyzny skośne, zakresy wartości, itd.;
Biblioteka jest wyposażona w kompletną aplikację demo. Dostępna jest również
pełna dokumentacja hipertekstu.
B.6. Instrumentation ModelKit™ [2] to początek nowej ery w świecie przyrządów
wirtualnych i graficznych elementów konstrukcyjnych, opracowanych w ramach .NET.
Produkt ten, o uniwersalnym charakterze, został opracowany z myślą o konstruktorach,
pracujących z pakietem .NET. Jest napisany w 100% z wykorzystaniem kodu C# i może być
używany w różnych Zintegrowanych Środowiskach Projektowych - IDEs (ang. Integrated
Development Environments), takimi jak MS Visual Studio .NET, Borland C# Builder, Borland
Delphi 8, czy jakimikolwiek innym środowisku IDEs współpracującym z pakietem .NET
Framework 1.1. Instrumentation ModelKit™ pozwala tworzyć nowe elementy graficzne o
unikatowym wyglądzie i funkcyjności za pomocą kilku kliknięć myszką i zaprojektować
potrzebną kontrolkę w ciągu zaledwie kilku minut. Mogą to być zarówno zwykłe kontrolki,
takich jak pasek postępu, mierniki, pokrętła, suwaki, czujniki, termometry, przełączniki, itd.
oraz wyspecjalizowane elementy dla wybranej branży przemysłowej: manipulatory, wagi,
urządzenia specjalnego przeznaczenia, a także wiele innych komponentów.
C. Przyrządy i narzędzia wirtualne jako istotne wsparcie procesu kształcenia
Obecnie wiele kursów, zarówno o charakterze wykładowym jak i laboratoryjnym, zawiera
narzędzia edukacyjne wspomagane komputerowo, które są udostępniane studentom. Co
więcej, coraz bardziej krytycznie podchodzi się w instytucjach edukacyjnych do stosowania
podziału na teorię i doświadczenie, podobnie jak w praktyce inżynierskiej stymulowanej
głównie przez postęp w technologii komputerowej oraz Internet. [14]
Współczesne kierunki pedagogiczne, takie, jak Blended Learning (Bleimann, 2004), łączą
edukację stacjonarną z uczeniem się wspieranym mediami elektronicznymi (ang. e-learning)
oraz edukacją mobilną. Technologie edukacji mobilnej „dostarczają” wiedzę w bezpośrednie
sąsiedztwo procesu, w którym jest ona stosowana. Przeciwny kierunek, tzn. od przemysłu do
edukacji, udostępnia w procesie kształcenia narzędzia stosowane w przemyśle ułatwiając w
ten sposób uczącym się łagodne przejście z uczelni do przemysłu. [15]
Noesimi Ertugrul [14] ustanowił następujące kryteria, które należy wziąć pod uwagę
rozważając wybór oprogramowania użytkowego w celu stworzenia wirtualnych przyrządów i
narzędzi, które mogłoby być zastosowane w edukacji:
- modułowość, pozwala łatwo i niezależnie testować poszczególne moduły oraz szybko
opracowywać aplikacje,
6
VccSSe
Virtual Community Collaborating Space for Science Education
“Przyrządy i narzędzia wirtualne w przedmiotach przyrodniczych ”
przenośność oprogramowania między platformami umożliwia konstruktorom
niezależne przygotowanie oddzielnych części programu a następnie ich
skompilowanie na jednej platformie,
- kompatybilność z wcześniej stosowanym kodem, pozwala na dołączanie nowych
procedur do już istniejących aplikacji, jak również wcześniejszych wersji
oprogramowania,
- kompatybilność sprzętu umożliwia zbieranie danych dostarczanych przez różne typy
przyrządów wyposażonych w odpowiednie interfejsy,
- rozwijalne biblioteki umożliwiają tworzenie bibliotek z procedurami niskiego poziomu i
dołączanie ich do programów nadrzędnych,
- zaawansowane techniki usuwania błędów w programach umożliwiają
optymalizowanie projektów oraz identyfikację miejsc występowania błędów w kodzie,
- wykonywalne programy użytkowe pozwalają uniknąć wprowadzania zmian,
konieczności ukrywania kodu lub tworzenia autonomicznych aplikacji,
- dodatkowe pakiety, które ułatwiają akceptację produktu na rynku oraz przyśpieszają
tworzenie oprogramowania,
- sposób wykonania gwarantujący, że produkt końcowy spełnia oczekiwania
potencjalnych użytkowników
- intuicyjny GUI (ang. Graphical User Interface) umożliwiający użytkownikowi ocenę
statusu przyrządu i zareagowanie w odpowiedni sposób,
- multimedialne funkcje umożliwiające wykorzystanie w przyszłości.
Mając na uwadze poszczególne aspekty szkolenia (w tym naukę na odległość),
najważniejszą kwestią stosowania wirtualnych przyrządów jest fakt, że przyrządy te są w
stanie symulować zjawiska fizyczne – generować sygnał, który pojawia się w taki sposób, jak
gdyby był dostarczany przez prawdziwy czujnik. Takie samo oprogramowanie stosuje się
zarówno do badania rzeczywistych jak i symulowanych zjawisk. W ten sposób, wirtualny
przyrząd staje się częścią wirtualnego laboratorium (rys. 1).
-
Rys. 1
Jedną z głównych właściwości wirtualnych przyrządów i narzędzi jest to, iż studenci
mogą je zaprojektować tworząc odpowiednie programy. Inne cechy wirtualnych przyrządów i
narzędzi to:
- niższe koszty wyposażenia stanowisk w sprzęt;
- możliwość migracji oprogramowania pomiędzy różnymi platformami komputerowymi;
- łatwy w użyciu graficzny interfejs użytkownika;
- graficzna reprezentacja struktur programistycznych;
- możliwość kompilowania kodu do pliku .EXE lub .DLL;
7
VccSSe
Virtual Community Collaborating Space for Science Education
“Przyrządy i narzędzia wirtualne w przedmiotach przyrodniczych ”
-
komunikacja za pośrednictwem protokołu TCP/IP [16].
Istnieje wiele przykładów efektywnego zastosowania wirtualnych laboratoriów w naukach
inżynierskich:
1. Kolegium Inżynieryjne i Nauk Stosowanych Uniwersytetu Kolorado w Boulder (ang.
The College of Engineering and Applied Science at the University of Colorado at
Boulder) stworzyło interdyscyplinarny program integrujący technologię komputerową i
sprzętową z podstawową wiedzą zdobytą w trakcie uczenia się poprzez realizację
projektów.
2. Szwajcarski Federalny Instytut Technologiczny w Lozannie (ang. Swiss Federal
Institute of Technology in Lausanne) opracował system nauczania na odległość
stosowany do studiowania zagadnień dotyczących ruchu za pomocą aplikacji
LabVIEW. Zdalny odbiorca (student) wykorzystuje laboratoryjny zestaw
eksperymentalny stosowany do sterowania procesem związanym z ruchem.
3. „CyberLab”, opracowany na Uniwersytecie Stanford (ang. Stanford University), jest
kolejnym przykładem narzędzia stosowanego w nauczaniu na odległość – wirtualne
laboratorium z kursem wspomagającym rejestrację obrazów.
4. Wydział Inżynierii Elektrycznej na j Politechnice Singapurskiej (ang. Department of
Electrical Engineering at Singapore Polytechnic) opracował kursy do nauczania na
odległość przedmiotów inżynierskich, takich jak Programowalne sterowniki logiczne,
Elektronika cyfrowa i Sterowanie cyfrowe. Eksperymenty można wykonywać za
pośrednictwem Internetu stosując LabVIEW oraz ComponentWorks.
5. Teksański Uniwersytet A&M (ang. Texas A&M University) opracował zdalne
eksperymenty dostępne za pośrednictwem Internetu, które demonstrują mechanikę
materiałów studentom pozbawionym dostępu do urządzeń w rzeczywistym
laboratorium. LabVIEW zostało wykorzystane do stworzenia wirtualnych przyrządów
umożliwiających poznanie, za pośrednictwem Internetu, zagadnień odnoszących się
do naprężeń/zgniatania/skręcania. [16]
D. Dokumentacja dotycząca wirtualnych przyrządów i narzędzi
Oto niektóre linki odnoszące się do zaprezentowanych platform, poświęconych wirtualnym
przyrządom i narzędziom:
1. LabVIEW (National Instruments):
a. http://www.ni.com/labview/
b. http://www.ee.udel.edu/InfoAccess/Technology/vi.html
c. http://www.mines.edu/academic/courses/eng/EGGN383/ref/r29/
d. http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/4752
e. http://fie.engrng.pitt.edu/fie2003/papers/1086.pdf
f. http://www.ni.com/pdf/academic/us/journals/lv02_11.pdf
g. http://www.formatex.org/micte2006/pdf/1310-1315.pdf
h. http://engr.unr.edu/~engr491/LabView.pdf
i. http://www.atsweb.neu.edu/mark/APL/Experiment1.pdf
j. http://www.indiana.edu/~aainfo/Articles/LabViewChemicalEducator2000.pdf
k. http://www.formatex.org/micte2005/86.pdf
l. http://spib.rice.edu/DSP2000/submission/SPE/papers/paper055/paper055.pdf
2. Cabri Geometry II Plus:
a. http://www.cabri.com/v2/pages/en/products_cabri2plus.php
8
VccSSe
Virtual Community Collaborating Space for Science Education
“Przyrządy i narzędzia wirtualne w przedmiotach przyrodniczych ”
b.
c.
d.
e.
http://www.chartwellyorke.com/cabri.html
http://www.cabri.com/v2/pages/en/tools_tutorials.php
http://www.atcm.mathandtech.org/EP/2002/ATCMA104/fullpaper.pdf
http://www.bristol.ac.uk/education/people/academicStaff/edfo/conferences/olivero
PME25.PDF
f. http://www.emis.de/proceedings/PME29/PME29RRPapers/PME29Vol3Furinghetti
EtAl.pdf
g. http://myweb.tiscali.co.uk/shinwha/Cha-Noss-PME26.pdf
h. http://www.math.fau.edu/kasia/Cabri/
3. Crocodile Clips:
a. http://www.crocodile-clips.com/
b. http://www.worsleyschool.net/science/files/crocodile/clips.html
c. http://www.scienceman.com/pgs/rev_crocophysics.html
d. http://www.arborsci.com/Products_Pages/Software/CrocChem.aspx
e. http://www.generation5.org/content/2002/croctech.asp
f. http://www.teem.org.uk/2195/classroom3128.html
g. http://shropshire.digitalbrain.com/shropshire/accounts/staff/gareth/web/blogfiles/C
rocodile%20Clips%20Elementary.pdf
h. http://www.sep.alquds.edu/physics/scripts/physics_english_final/Experiment_7.ht
m
4. Discovery Virtual Instrumentation:
a. http://www.fbk.com/e-learning/virtual-instrumentation.asp
b. http://www.fbk.com/e-learning/
5. Instrumentation Widgets:
a. http://www.perpetuumsoft.com/Product.aspx?lang=en&pid=34
6. Instrumentation ModelKit:
a. http://www.perpetuumsoft.com/Product.aspx?lang=en&pid=22
b. http://www.ingeardrivers.com/graphics/imk/imk.htm
E. Zadania
Uczestnicy seminarium są proszeni o odwiedzenie trzech stron internetowych związanych z
platformami i odnoszących się do przyrządów i narzędzi wirtualnych a przedstawionymi
powyżej.
Na tym etapie, każdy z uczestników powinien sobie wyobrazić sobie zadanie
przewidziane do wykonania, które będzie wymagać zastosowania przyrządów lub narzędzi
wirtualnych w czasie zajęć laboratoryjnych.
Zadanie to trzeba zachować w postaci pliku tekstowego (.doc) i umieścić na platformie
Moodle – w sekcji „Rozwiązane zadania”.
F. Bibilografia
[1]
[2]
[3]
[4]
http://www-micrel.deis.unibo.it/%7Emassimo/VI/indexVI.html
http://www.9rays.net/cgi-bin/components.cgi?act=1&cid=106
http://www.adelard.co.uk/standards/vi_guide.htm
http://zone.ni.com/devzone/conceptd.nsf/webmain/43DA4F5979907DDD86256
C1B00510DBA?opendocument
9
VccSSe
Virtual Community Collaborating Space for Science Education
“Przyrządy i narzędzia wirtualne w przedmiotach przyrodniczych ”
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
http://www.manufacturing.net/ctl/article/CA6303471?spacedesc=featuredNews
http://www.scientific-computing.com/scwmayjun04james_truchard.html
http://www.datx.com/solution_center_data_acq/Evolution-of-VirtualInstrumentation.pdf
http://www.ni.com/labview/faq.htm
http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/13112
http://www.cabri.com/
http://www.crocodile-clips.com/
http://www.fbk.com/e-learning/virtual-instrumentation.asp
http://www.9rays.net/cgi-bin/components.cgi?act=1&cid=90
http://www.automaatioseura.fi/confprog/downloadfile_public.php?conference=12
&filename=12-12009.pdf
http://online.adelaide.edu.au/LearnIT.nsf/URLs/Using_virtual_instrumentation
Nermina Zaimovice - Uzunovice, S. Lemes, D. Petkovice, “Virtual Instruments –
A Chance to Teach Engineering at a Distance”;
10