Реалізація симуляції вимірювань для віртуальних лабораторних робіт в системі дистанційного навчання

Бунак С.В., Жарких Ю.С., Лисоченко С.В., Третяк О.В., Шкавро А.Г

Київський національний університет імені Тараса Шевченка,

радіофізичний факультет Київ 01033, Володимирська 64.

Реалізація симуляції вимірювань для віртуальних лабораторних робіт в системі дистанційного навчання.

Вступ

Безальтернативною складовою якісного вивчення більшості природничих дисциплін у вищих навчальних закладах є лабораторні роботи (ЛР). В той же час, при впровадженні систем дистанційного навчання, виконання ЛР наштовхується на труднощі, обумовлені можливостями наявних вимірювальних приладів і існуючою методичною базою [1,2]. Пропоновані промисловістю дистанційні практикуми [3] є складними для впровадження, а спектр виконуваних ними робіт обмеженим і не відповідає сучасним вимогам, що висуваються при вивченні фундаментальних і інженерних дисциплін. Останнє особливо стосується спеціалізованих ЛР, що виконуються студентами на старших курсах ВНЗ. В цих умовах можливе достатньо швидке створення віртуальних симуляторів (ВС) лабораторних робіт, які можуть замінити реальні ЛР в умовах дистанційного навчання, а також бути одним з підготовчих етапів до роботи студентів стаціонару в практикумах. Програмне забезпечення таких ВС повинно відповідати завданням гуманізації процесу навчання, а також ряду технічних і методичних вимог [1,2]. Основним шляхом реалізації цих завдань є створення ВС з можливо повною подібністю до роботи на реальному обладнані.

Основні риси процесу симуляції вимірювань

В сучасному автоматизованому експерименті, що проводиться з використанням ПЕОМ (типовий приклад, автоматизовані комплекси на основі програми Labview, чи аналогічні) експериментальні дані відображаються у вигляді таблиць і графіків на екрані монітора, а підбір режимів роботи і поточне управління пристроями відбувається за допомогою вікон налаштування, де інтерфейс керування приладу відображається на екрані монітора. Таким чином процес виконання автоматизованої або дистанційно виконуваної ЛР, в основному, зводиться до роботи з послідовним набором вікон налаштування різноманітних приладів, користуючись якими студент вибирає режими роботи і умови проведення експерименту. Виходячи з цього, розробку ВС доцільно проводити на базі автоматизованих ЛР, або конструюючи його інтерфейс і вікна налаштування подібні для тих, що мають реальні прилади. Для досягнення подібності роботи ВС до реального експерименту і виключення повного повторення результатів ЛР, необхідне внесення випадкових похибок, що характерні для реальних вимірювань. Відображення отриманих таким чином даних необхідно проводити поступово, з характерними для відповідної апаратури затримками. Доцільним є також моделювання і екстраполяція реакцій об'єкта досліджень на впливи експериментальних чинників, особливо в критичних і аварійних режимах.

Важливою особливістю навчання з використанням ВС є використання діалогових режимів роботи, коли реалізується безпосередня взаємодія людини з системою. Для цього можливе застосування дворівневої обробки отриманих даних, коли частина даних обробляється в реальному часі і використовується для контролю і керування. На основі отриманої інформації приймаються оперативні рішення щодо правильності вибору параметрів експерименту. Це дає змогу, в разі появи неочікуваних результатів, їх уточнити, відкинути при подальшому аналізі, або повторити експеримент. Основний масив отриманої інформації записується на жорсткий диск і обробляється після закінчення експерименту.

Реалізація віртуальних симуляторів

Програми ВС створювались на основі керуючих програм автоматизованих лабораторних робіт [1,4]. Це дозволяло звести до мінімуму роботу по створенню ВС, забезпечувало ідентичність інтерфейсів користувача симулятора та реальної установки і зберігало можливість переходу до підпрограм попередньої обробки результатів експерименту. В інтерфейсі симулятора зберігалась можливість обирати та налаштовувати прилади (тепер віртуальні), а також обирати умови експерименту. Інтерфейс користувача симулятора доповнювався засобами для введення інформації про об’єкт досліджень до початку вимірювань.

Проведення вимірювань на симуляторі передбачало графічне відтворення експериментальних залежностей з заданим кроком, що зберігались у спеціальному файлі. При цьому значення аргументу встановлювались шляхом округлення і такими, що були кратними рівню його квантування. Результат вимірювання – значення виміряних параметрів визначались шляхом лінійної інтерполяції даних з вхідного файлу. В разі виходу значень аргументу за межі даних, що містились у вхідному файлі, застосовувалась екстраполяція, або генерація повідомлення про помилку.

Для відчуття реальності процесу вимірювань, у програмі передбачалась генерація затримок, що відповідали реальним інтервалам часу, необхідним для отримання кожного результату спостереження. При цьому враховувались значення тривалості вимірювань для обраних приладів, що залежали від діапазону вимірювання і швидкодії апаратних засобів спряження. Окрім затримок в часі, в ВС передбачалась генерація випадкових похибок, характерних для реальних приладів.

В цьому випадку в дані вхідного файлу вносилась похибка, величина якої залежала від значення вимірюваної величини і діапазону на якому здійснювались вимірювання. Значення адитивної та мультиплікативної складових похибки розраховувались на основі паспортних даних приладів. При розрахунках використовувався рівномірний розподіл складових похибки, який є типовим для цифрових вимірювальних приладів [5]. Експериментальні дані для кожної точки вимірювання можна було усереднювати за заданим числом спостережень n. Тому, для одного й того ж вхідного файлу даних, результати двох віртуальних вимірювань відрізнялися, навіть за однакових параметрів експерименту (крок зміни аргументу, та кількість усереднень n). При збільшенні n ця відмінність результатів зменшується і вони наближаються до даних вхідного файлу.

Слід відзначити, що на відміну від реальних вимірювань у програмі ВС можна передбачити можливість вимкнення затримки, а також однієї, або обох складових похибки. В цьому випадку віртуальне вимірювання практично не відрізняється від простого відтворення залежностей, що зберігаються в базі даних.

Результати вимірювань

З врахуванням викладеного, нами був створений ряд ВС циклу лабораторних робіт з фізики напівпровідникових приладів. Для прикладу роботи ВС на рис. 1 наведено графіки залежностей ємності та провідності від прикладеної напруги для поверхнево-бар’єрної діодної структури з квантовими точками, одержані при виконанні ЛР "Діод з бар'єром Шоткі". Графіки на рис.1 (а) і (б) відповідають крокам зміни прикладеної напруги В та В. В обох випадках похибки при віртуальних вимірюваннях не додавались. Неперервними кривими показані "істинні" залежності, тобто побудовані по даним вхідного файлу. Видно, що для монотонної залежності ємності від напруги, лінійні інтерполяції двох експериментальних залежностей відрізняються мало, тоді як для залежності провідності від напруги таке збільшення кроку вимірювання призводить до суттєвого спотворення реальної характеристики і втрати інформації про наявність локального максимуму. На рис.1 (в) і (г) показані аналогічні залежності за величини В і з додаванням 3%-ї мультиплікативної похибки. Дані представлені на рис.1 (в), відповідають вимірюванням без усереднення, а на рис.1 (г) з усередненням при . Як видно з рис.1 (в), відсутність усереднення, призводить до перевищення величиною похибки зміни значення вимірюваної величини при зміні аргументу на один крок. Наслідком цього є немонотонність отриманої кривої, що може ускладнити подальшу обробку експериментальних даних і призводити до похибок на наступних етапах роботи, наприклад, при цифровому диференціюванні. При усередненні (рис.1 (г)), результат віртуального вимірювання практично співпадає з „істинним”, але тривалість вимірювань в цьому випадку зростає більш ніж у 10 разів.


(а)	(б)

(в)	(г)

Рис.1. Залежності ємності та провідності поверхнево-бар’єрної діодної структури з квантовими точками від прикладеної напруги отримані на ВС. (a) - без усереднення та додавання похибок, крок вимірювань 0.2В; (б) - без усереднення та додавання похибок, крок вимірювань 0.01В; (в) - без усереднення та з додаванням мультиплікативної похибки 3%, крок вимірювань 0.01В; (г) - з усередненням при та з додаванням мультиплікативної похибки 3%, крок вимірювань 0.01В.

Таким чином віртуальні вимірювання з врахуванням затримок і похибок приладів дозволяють відтворювати умови характерні для лабораторних досліджень і створювати практично повне відчуття роботи на реальній автоматизованій установці. Зменшення кроку зміни аргументу, та збільшення кількості спостережень при усередненні, дозволяє отримати результат експерименту максимально близький до "істинного”, але призводить до значного збільшення тривалості експерименту. Використання ВС дозволяє набути навичок роботи на реальній автоматизованій установці, та обирати оптимальні параметри експерименту з точки зору співвідношення точність/тривалість.

Література

1. Жарких Ю.С., Лисоченко С.В., Третяк О.В., Шкавро А.Г., Бунак С.В., Плахотнік А.В., Погорілий В.М. Універсальні вимірювально-керуючі комплекси. // Вестник НТУ „ХПИ”. – 2005. - №35, с.85-93.

2. Жарких Ю.С., Лисоченко С.В., Третяк О.В., Шкавро А.Г. Гуманітарні аспекти навчання з застосуванням віртуальних симуляторів лабораторних робіт. // Материалы II международной научно-практической конференции „Ключевые аспекты научной деятельности-2007” Том. 6. - Педагогика. – Днепропетровск: Наука и образование, 2007. с.7-10.

3. L. Gomes & J. Garsia-Zubia {Eds}. Advances on remote laboratories and e-learning experiences. – Bilbao, Spain: University of Deusto, 2007.

4. Бунак С.В., Ільченко В.В., Третяк О.В., Шкавро А.Г. Автоматизована установка для дослідження електрофізичних параметрів поверхнево бар’єрних наногетероструктур Вісник Київського університету, серія Фізико-математичні науки, в. № 3, 2007, с.223-227.

5. Кукуш В.Д. Электрорадиоизмерения: Учебн. пособие для вузов.-М.: Радио и связь, 1985.-368 с.