Vzdálené reálné školní laboratoře na internetu

Autor: František Lustig, ČR

Abstract:

This paper describes internet school laboratory based on computer aided systems ISES, Lab VIEW and LEGO and on Web site for remote teaching of measurements.

1. Úvod

Školní laboratoře možná čeká revoluční změna. Internet se stal novým médiem, novou "parou, co nohou cválá". Internet není "jenom" informační médium, internet může být i řídící, měřící a reálně interaktivní. Vzdálené školní laboratoře s reálnými úlohami? Vyřešeno! Stačí jenom vpustit tuto novou internetovou technologii do fyzikálních, chemických, resp. i biologických školních laboratoří. F. Lustig publikoval sérii článků [1], [2], [3], které představily Interaktivní internetové laboratorní studio iSES. Měřící prostředí je založeno na systémech ISES a Lab VIEW, resp. LEGO. Systémy umožňují lokální i vzdálená měření. Možnosti systémů v lokálním provozu jsou dostatečně známé (mnoho informací na http://www.ises.info ). V příspěvku se zaměříme na uplatnění internetu, který vnáší do laboratoří nové netušené možnosti.

Nejjednodušší je zavedení databáze experimentů na statických WWW stránkách, které je možno stahovat a na lokálních měřících systémech spustit, zopakovat, modifikovat aj. Podívejte se http://www.ises.info na stránku experimenty.

Další možností je již fyzické ovládání vzdálených experimentů z dynamických WWW stránek. Uživatel nemusí mít žádný speciální program. Pouze pracuje s prohlížečem WWW stránek (např. Internet Explorer). Vyzkoušejte si řízení hladiny na http://kdt-14.karlov.mff.cuni.cz (Pozn.: experiment prozatím spouštíme na požádání e-mail Frantisek.Lustig@mff.cuni.cz, resp. tel.: 0602-858 056).

Nejdokonalejší možností jsou reálná vzdálená měření typu server - klient s programovou podporou TCP/IP. Na serveru je instalován měřící systém s laboratorní úlohou a program "server". Klientský počítač je bez hardware, pouze se speciálním programem "klient".Takovéto provozování laboratoře provádíme s využitím systému ISES a Lab VIEW. Tato laboratoř je k vyzkoušení prozatím pouze u autora příspěvku.

2. Laboratorní studio iSES

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", umožňují doslova rozsvítit žárovku na druhé straně zeměkoule nebo on-line zjistit teplotu, 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.

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, Lab VIEW a pro nižší nároky je připravena možnost pracovat také se systémem LEGO jako s měřícím prostředkem. Další informace v [1], [2], [3].

Interaktivní internetové laboratorní studio iSES umožňuje využívat počítač jednak jako lokální měřící prostředek, jednak jako měřící systém s přístupem do databáze experimentů a laboratorních prací (též v písemné podobě [4]) a v neposlední řadě pak přináší dosud nepoznanou možnost pracovat se vzdálenými reálnými experimenty(!) a to na několika možných úrovních.

Obr.1.: Laboratorní studio iSES - "miniportál" pro vstup do světa vzdálených laboratoří na platformě ISES, Lab VIEW, LEGO.

2.1. Databáze experimentů ISES na WWW stránkách

Nejjednodušší forma uplatnění internetu v laboratoři je standardní práce se "vzdálenými texty". Vzdálenými texty jsou v našem případě nejenom textové materiály, ale též databáze 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 v oddílu experimenty. Očekáváme, že tento způsob využívání internetových databází experimentů bude velmi rozšířený, neboť je velmi pohodlný. Stačí mít pouze počítač připojený do internetu a nainstalovaný program ISESWIN, resp. demoverzi programu ISESWIN, kterou lze stáhnout z oddílu download na výše uvedeném serveru.

Uvědomme si, že v této variantě je na straně klienta hardware ISES i software ISESWIN. Pro pouhé prohlížení experimentů by stačil jenom program ISESWIN, resp. i pouhá demoverze programu ISESWIN. Na straně serveru jsou WWW stánky.

2.2. 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, na vzdáleném počítači pak ještě navíc program ISESWIN, který komunikuje s hardware ISES. Využíváme "sdílení programu" ISESWIN (klasické sdílení programu, avšak v tomto případě nám sdílení umožňuje ovládat nejenom samotný program, ale i hardware ISES).

Zkusím ještě jednou zopakovat, že vzdálený uživatel, který má u sebe pouhý program NetMeeting, ovládá cizí vzdálený reálný experiment (!), tak jako by pracoval na lokálním důvěrně známém systému ISES.

Toto spojení se vzdáleným experimentem má kromě "měřícího kanálu" ještě k dispozici "videokanál", "audiokanál" a textový a grafický chat.

S programem NetMeeting můžeme ještě vyzkoušet velmi zajímavou možnost "vzdálené sdílení pracovní plochy", kdy máme k dispozici celý vzdálený počítač a samozřejmě i ISES (k dispozici jsou všechny programy!). Vzdálená měření ve spolupráci s programem NetMeeting lze realizovat se všemi variantami systémů ISES (ISES-Základní, ISES-Professional).

Obr. 2.: Experiment "Kmity na pružině", snímaný programem ISEWIN,
ovládaný přes internet programem Net Meeting

2.3. Vzdálené experimenty se systémem ISES a WWW prohlížečem

Další úroveň vzdálených laboratoří na úrovni komunikace typu server klient je využití dynamické konstrukce WWW stránek. Za podpory Java appletů a PHP je na straně serveru spuštěn speciální program "ISES server", který komunikuje s koncovým měřícím a řídícím hardwarem, kterým je v našem případě opět systém ISES základní, resp. i ISES Professional. Na straně klienta stačí pouhý prohlížeč typu Internet Explorer, či Netscape. Klient ovládá na WWW stránce tlačítka, vyplňuje formuláře aj. - a tím řídí vzdálený experiment, resp. sleduje stav čidel -dostává naměřené hodnoty ze vzdálené aparatury. Program "ISES server" má podporu internetové WEB kamery, kterou můžeme ovládaný experiment on-line pozorovat.

Připomeňme, že nepracujeme s programem ISESWIN, ale se specializovaným programem "ISES server". Tento program "ISES server" není prozatím úplně univerzální, ale modifikuje se vždy ke konkrétní úloze. Uživatelům systémů ISES základní a ISES Professional vytvoříme "ISES server" dle jejich zadání.

Vyzkoušejte si tento nevšední zážitek na http://kdt-14.karlov.mff.cuni.cz. Je zde nainstalována úloha řízení a sledování výšky vodní hladiny - viz obr.2.

Upozornění: tento server není prozatím spuštěn trvale - je třeba autorovi napsat, či zatelefonovat, aby server spustil.

Obr. 2.: Experiment "Řízení výšky hladiny", ovládaný přes internet
http://kdt-14.karlov.mff.cuni.cz

2.4. Vzdálené experimenty se systémem ISES a programem Lab VIEW

Několik slov k 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". "Přístroj" je prezentován v uživatelském pohledu jako "Front Panel" a v programátorském pohledu jako "Program Panel". 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).

Je třeba si uvědomit, že uživatelská podpora ze strany software Lab VIEW je velmi malá, uživatel sice může mít cokoliv, ale musí si to sám naprogramovat, resp. draze koupit. Lab VIEW je programovací jazyk - nikoliv uživatelský program!

Vzdálené experimenty se systémem ISES a programem Lab VIEW

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 druhém 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 současně sledovat kamerou. Pouze si nemůže "sáhnout rukou" na svůj vzdálený experiment. Proto musí být měřící aparatura s experimentem velmi pečlivě sestavena.

Pozn.: Uživatelé systému ISES si již během roku 2002 vyzkouší novou verzi programu ISESWIN 32i, která již přímo podporuje vzdálená měření a nebude se muset programovat (!) jako v Lab VIEW.

Obr. 3.: Experiment "Snímání srdečního tepu" ze vzdáleného počítače přes internet.
Grafický výstup programu se stejný jako bychom měřili lokálně.

3. Závěr

Laboratorní Studio iSES zahrnuje širokou paletu měřících systémů (ISES, Lab VIEW, LEGO) a přináší novou dimenzi do laboratoří - možnost vzdálených měření. Brouzdání internetem je velmi populární. Nová možnost něco aktuálně změřit nebo ovládat z domácího počítače bude jistě patřit k vyhledávaným "zážitkům" na internetu. Stačí zapnout počítač, "podívat" se po internetu, "stáhnout" si zajímavou úlohu do svého počítače nebo "připojit" svůj počítač ke vzdálenému experimentu. A můžeme začít měřit. V laboratoři nebo i doma. Naměříme, vysvětlíme, sepíšeme protokol a můžeme publikovat. Třeba zase na internetu.

Sledování, či řízení vzdálených měřících aparatur prostřednictvím internetu zřejmě velmi rychle zamíří z laboratoří do všedního života. Internetem budeme řídit svoji domácnost, po internetu budeme monitorovat životní prostředí atd. atd.

A na úplný závěr výzva dalším tvůrcům vzdálených laboratoří.

1. Vzdálená laboratoř na internetu již není jenom "majetek" příslušné instituce, ale "virtuálně patří" všem uživatelům internetu.

2. Zkusme vybudovat více samostatných vzdálených laboratoří. V silách každé školy je jistě možné předložit po internetu několik úloh. Raději však spusťme jen jednu, ale zato velmi pečlivě zpracovanou vzdálenou laboratorní úlohu. A nyní nastane okamžik, kdy tyto vzdálené laboratorní úlohy internetem propojíme v jednu "obrovskou vzdálenou laboratoř"… A bude konec světa … (Arthur C. Clarke, F.Lustig).

Literatura:

1. Lustig, F.: "Laboratorní studio iSES", in sborník DIDACTA 2000, Ráčkova Dolina 2000, 291-296.
2. Lustig, F.: "Interaktivní internetové studio iSES", in sborník ICTE 2001, Rožnov pod Radhoštěm, 27-31.
3. Lustig, F.: "Internetové laboratorní studio", in sborník POŠKOLE 2001, 127-132.
4. Vícha, V.: "Laboratorní práce k učebnici Elektřina a magnetismus se soupravou ISES", Učební pomůcky PC-IN/OUT, Praha, 2001, 141s.

RNDr. František Lustig, CSc., Katedra didaktiky fyziky, MFF UK Praha, Ke Karlovu 3, 121 16 Praha 2, ČR, telefon: +420 - 2 - 2191 1286, +420 - 602 - 858 056