Interaktivní internetové laboratorní studio iSES

Autor:
František Lustig

Abstrakt:

Interaktivní internetové laboratorní studio iSES zavádí do laboratoří také internet. Měřící prostředí je založeno na systémech ISES a Lab VIEW, resp. Lego ZŠ. Systémy umožňují lokální i vzdálená měření. Možnosti systémů v lokálním provozu jsou dostatečně známé, zaměříme se spíše na internet, který vnáší do laboratoří některé nové prvky. Nejjednodušší je zavedení databáze experimentů na statických WWW stránkách, které je možno stahovat a na lokálních měřících systémech spustit, zopakovat, modifikovat aj. Další možností je již fyzické ovládání vzdálených experimentů z dynamických WWW stránek Uživatel nemusí mít žádný speciální program. Pouze pracuje s prohlížečem WWW stránek. Nejdokonalejší možností jsou reálná vzdálená měření s programovou podporou TCP/IP. Na serveru je instalován měřící systém s laboratorní úlohou a program "server". Klientský počítač je bez hardware, pouze s programem "klient".

Klíčová slova:
Počítačem podporované experimenty, laboratorní studio, remote laboratory, remote sensing, vzdálená měření, WWW, TCP/IP, PHP, Lab VIEW, ISES, LEGO, iSES.

1. Úvod

Využívání počítačů ve školních laboratořích fyziky, chemie, biologie, řízení aj. se stává standardní záležitostí. Současné internetové technologie mohou pracovat nejenom se "vzdálenými texty", ale i se "vzdálenými měřícími aparaturami". Interaktivní internetové laboratorní studio iSES" umožňuje počítač používat jednak jako lokální měřící prostředek, jednak jako měřící systém s přístupem do databanky experimentů a laboratorních prací a v neposlední řadě pak dosud nepoznanou možnost pracovat se vzdálenými experimenty(!) Laboratorní studio iSES (internetové Školní Experimentální Studio) je široce pojatá platforma pro měření v laboratořích s podporou počítačů na všech úrovních škol (ZŠ, SŠ aj.). Základy jsou položeny na internetové infrastruktuře a na měřících a řídících systémech ISES a Lab VIEW. Pro nižší nároky je připravena možnost pracovat také se systémem LEGO jako s měřícím prostředkem. Systém ISES (Inteligentní Školní Experimentální Systém) je známý školní experimentální systém, který v současné době pracuje na 350 školách (převážně SŠ). V současné době je v ČR 15 tříd s vícenásobnými instalacemi s možností frontální práce ve třídě. Tyto školy mohou velmi rychle začít s internetovou interaktivní laboratoří. Lab VIEW je systém z vědeckých laboratoří. Jde o vývojové prostředí s graficky orientovaným programovacím jazykem. Internetová podpora je zabudována přímo v systému.
LEGO a jeho nové systémy Robolab a LEGO Engineer se pojetím přibližují Lab VIEW, ale jsou na úrovni jednoduchého měření a řízení motorků, žároviček, teploměru aj.

2. Laboratorní studio bez internetu

V laboratořích fyziky, chemie a biologie jsou nejvíce systémy ISES. Počítačem podporované experimenty jsou realitou na mnoha školách. V 15 učebnách jsou vícenásobné instalace systému ISES a provozují se zde frontální experimenty i celé laboratorní práce. Bližší obrazovou přílohu nalezne čtenář ve fotogalerii na http://www.ises.info věnované laboratornímu studiu iSES. Nově pojaté Laboratorní studio iSES již není pouze měřící systém ISES, ale je to nová ICT technologie založená na spolupráci hardware a software ISES se software Lab VIEW, resp. LEGO, to vše pod sítí internet. Autonomní práce s jednotlivými systémy je dostatečně dobře známa. Zkusme nyní probrat spíše některé nové aspekty v součinnosti těchto systémů, prozatím bez internetu.

2.1 Školní experimentální systém ISES

Školní experimentální sstém ISES je dostatečně zavedený a známý. Zkusíme připomenout některé novinky kolem systému ISES. Pro podporu systému ISES byly nově (prozatím pracovně) spuštěny WWW informační stránky (jakýsi "ISES site") na http://www.ises.info. Program ISES pracuje se ve Windows prostředí, nebo resp. ještě v systému DOS. Koncem roku 2001 bude k dispozici ISESWIN 32i pro Win 2000 a Win NT. V současné době jsou k dispozici textové příručky s experimenty [1], [2], [3], [4] nově je k dispozici příručka s laboratorními pracemi [5]. Další atraktivní novinkou je možnost přímého měření se systémem ISES v Excelu. Makro, napsané v Excelu, komunikuje s hardware ISES. Měřené hodnoty se zapisují přímo do tabulky a vynášejí se do grafu. Vyhodnocení dat je již na uživateli. Přímé měření do Excelu je možné se všemi systémy ISES (ISES-Základní, ISES-Professional, ISES-COM), ale k dispozici je i pro přístroje řady METEX aj.

2.2 Sytém ISES a Lab VIEW

Pro pokročilejší zmíníme ještě možnost spolupráce s jinými měřícími systémy. Měřící systém ISES je sice hodně flexibilní, ale někdy se mohou vyskytnout aplikace na sestavu vlastní jednoúčelovou měřící a vyhodnocovací aparatury. A to pokud možno pouze softwareovými prostředky. Problém řeší takzvané virtuální měřící přístroje, které z holého měřícího hardware (nejčastěji pouze ADDA karta) vytvoří prostřednictvím software téměř libovolný "přístroj". Tato technika je velmi dobře zvládnuta např. v profesionálním graficky orientovaném programovacím balíku Lab VIEW. Pro spolupráci programu Lab VIEW a hardware ISES je třeba do Lab VIEW doplnit knihovnu ISES.llb, která obsahuje cca 20 modulů (tzv. *.VI) pro vstup a výstup dat, inicializaci ADDA, časování, IRQ, DMA aj.). Tato knihovna je k dispozici u autora tohoto příspěvku. (pozn.: spolupráce s Lab VIEW je v tomto okamžiku pouze pro variantu ISES-Professional).

2.3 Systém ISES a LEGO

Jak se stalo LEGO měřícím systémem? LEGO bylo vždy hračkou bez počítače a spíše bylo nasměrováno na automatizaci a robotizaci. V současné době jsou k dispozici systémy Control LAB, ROBOLAB a LEGO Engineer, které mají hodně blízko k laboratorním měřícím systémům. Systém Control LAB a ROBOLAB má vlastní software umožňující řízení i snímání hodnot svých čidel. Systém Control LAB lze ovládat též z programu LEGO Engineer. Podoba s profesionálním programem Lab VIEW je zřejmá na první pohled. Stejné menu, shodné ovládání. Pouze senzory LEGA jsou spíše pro regulace a řízení. A právě zde přichází ISES se svými moduly. Stačí je připojit pomocí přizpůsobovacího HW členu "ISES-LEGO interface" (podrobnosti u autora článku) a máme výkonný měřící systém, který má základy v ISES modulech a LEGO software.

3. Laboratorní studio s podporou internetu

Na internetu jsou firmy, obchody , banky aj. Nechť jsou na internetu i školní laboratoře. Internetové laboratorní studio flexibilně promění standardní počítače na internetu v laboratoř fyziky, chemie biologie, či automatizace. V interaktivním internetovém laboratorním studiu poznáme, že internet není jenom svět textových informací, ale že se s touto technologií "dá rozsvítit žárovka na druhé straně zeměkoule nebo on-line zjistit teplota, či stav životního prostředí, kdekoliv na světě". Tato technologie je zatím trochu mimo naše současné myšlení, ale kdo si vyzkouší, zjistí, že se jedná o naprostou standardní záležitost.

3.1. Databanky experimentů ISES na internetu

Nejjednodušší forma uplatnění internetu v laboratoři je standardní práce se "vzdálenými texty". Vzdálenými texty jsou v našem případě nejenom textové materiály, ale též databanky naměřených experimentů, laboratorních úloh, aj. Všechny experimenty jsou "jako živé". Uživatel si tyto experimenty může stáhnout a spustit (pouhým poťukáním na ikoně aktivuje svůj lokální program ISESWIN a pokud má též hardware ISES, může si daný experiment sám provést, modifikovat, porovnat se stáhnutým aj. Všechny tyto možnosti jsou k vyzkoušení na serveru http://www.ises.info. Očekáváme, že tento způsob uplatnění internetových databází experimentů bude velmi rozšířený, neboť je velmi pohodlný.

3.2 Vzdálené experimenty se systémem ISES a programem NetMeeting

Vyšší forma využití internetu v laboratoři je práce se "vzdálenými experimenty". Na této úrovni již pracují dva počítače "proti sobě". Úplné začátky této internetové komunikace si lze vyzkoušet s volně dostupným programem NetMeeting (případně podobnými programy umožňujícími sdílení). Na obou počítačích běží NetMeeting a na jednom ještě současně program i hardware ISES. Využívá se "sdílení programu" ISESWIN (klasické sdílení programu, avšak v tomto případě máme možnost ovládat nejenom samotný program, ale i hardware ISES), nebo velmi zajímavá možnost "vzdálené sdílení pracovní plochy", kdy máme k dispozici celý vzdálený počítač (k dispozici jsou všechny programy!) a samozřejmě i ISES. Vzdálená měření ve spolupráci s programem NetMeeting lze realizovat se všemi variantami systémů ISES (ISES-Základní, ISES-Professional).

3.3 Vzdálené experimenty se systémem ISES a WWW prohlížečem

Další úroveň vzdálených laboratoří jsou již na úrovni TCP/IP komunikace typu server klient. Nepracujeme již se současnou verzí programu ISESWIN, ale využíváme specializovaný software s podporou PHP na WWW serveru. Koncovým hardwarem je systém ISES. Na serveru je nainstalován program v PHP jazyku, který reaguje na příkazy zasílané klientem. Je zde rovněž hardware ISES. Na straně klienta stačí pouhý prohlížeč typu Explorer, či Netscape. Klient ovládá na WWW stránce tlačítka, vyplňuje formuláře aj. (a tím řídí experiment), resp. sleduje stav čidel (dostává naměřené hodnoty). Vhodným doplněním je internetový pohled kamery na ovládaný experiment. Vyzkoušejte si tento nevšední zážitek např. na http://www.ises.info.

3.4 Vzdálené experimenty se systémem ISES a programem Lab VIEW

Plně profesionální podporu vzdálené laboratoře přináší program Lab VIEW. Tento program je vývojové prostředí s graficky orientovaným jazykem, kde si uživatel programy pro TCP/IP komunikaci může sám vytvořit. Pro začátečníka je to složité, ale lze využít hotových modulů MeasureServer.VI a MeasureClient.VI a vzdálené měření je hotovo. Ukázky jsou k dispozici u autora článku. I v tomto případě běží dva počítače "proti sobě", na jednom je nainstalován systém Lab VIEW s programem MeasureServer.VI a systém ISES s experimentem. Na straně klienta je spuštěn program MeasureClient.VI. Práce na vzdáleném experimentu je nevšední zážitek. Uživatel si přestane uvědomovat, že nepracuje na svém počítači. Vše je stejné, jako by měřil přímo u sebe. Je to velmi zajímavá zkušenost. Uživatel může své počínání sledovat kamerou. Pouze si nemůže šáhnout rukou na svůj vzdálený experiment, proto musí být měřící aparatura s experimentem velmi pečlivě sestavena. Pozn."Uživatelé systému ISES si koncem roku 2001 vyzkouší novou verzi programu ISESWIN 32i, která již přímo podporuje vzdálená měření a nebude se muset programovat (!)

4. Závěr

Sečteno a podtrženo - máme k dispozici novou technologii v ICT - Laboratorní Studio iSES (internetové Školní Experimentální Studio). Sledování, či řízení vzdálených měřících aparatur prostřednictvím internetu nastaví novou dimenzi v popularizaci vědy, v monitorování dějů včetně životního prostředí, aj. Brouzdání internetem je velmi populární. Nové možnosti něco aktuálně změřit nebo ovládat z domácího počítače bude jistě patřit k vyhledávaným "zážitkům" na internetu. Nechť je takovýchto vzdálených laboratoří na internetu co nejvíce. Vzdálená laboratoř na internetu není jenom "majetkem" příslušné instituce, ale bude "virtuálně patřit" všem uživatelům internetu.

Literatura:

1. Lustig, F., Lustigová, Z., Vlášek, P.: ISES - příručka k soupravě Školní experimentální systém, Učební pomůcky PC-IN/OUT, Praha,1992, 107 s.
2. Pácal, L., Lustig, F.: ISES - WIN, příručka k programu ISES-WIN, Mentar + Učební pomůcky PC-IN/OUT, Praha, 1996, 206 s.
3. Lustig, F., Lustigová, Z.: Fyzikální experimenty se systémem ISES, Učební pomůcky PC-IN/OUT, Praha,1996, 110 s.
4. Bílek, M.: Chemické experimenty se systémem ISES, PedF UK Hradec Králové, Učební pomůcky PC-IN/OUT, Praha,1995, 90 s.
5. Vícha, V.: Laboratorní práce k učebnici Elektřina a magnetismus se soupravou ISES, Učební pomůcky PC-IN/OUT, Praha, 2001, 141s.
6. Lustigová, Z.: Vzdálená a virtuální laboratoř jako příspěvek k novému pojetí experimentu ve výuce fyziky, In: Konference POŠKOLE 99, Lázně Sedmihorky, 1999, 80-83.

Webmaster: Jiří Ryzner, poslední aktualizace: 22.7.2014