Информатизация инженерного образования (выпуск 1)

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

Рис. 12.41. Настройка компонента в интегрированной среде разработки Flash

Рис. 12.42. Многофункциональный виртуальный лабораторный стенд по дисциплине «Электрический привод»

Данный подход позволяет перейти к так называемому сборочному программированию: сборке приложения из компонентов в интегрированной среде разработки с минимальным написанием кода.

Кроме того, компонент может быть включен в приложение программно с помощью вызова соответствующего метода и программного задания свойств компонентов.

Наряду с использованием имеющихся в комплекте поставки компонентов можно создавать свои собственные компоненты, особенно в том случае, когда одинаковые компоненты, например цифровые измерительные приборы, используются в нескольких лабораторных стендах.

Имеется большое число хорошо написанных книг, посвященных Flash, в частности [12.17—12.19], из книг по программированию на Flash отметим [12.17] и очень полное, но нудное руководство [12.19].

523

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

Рис. 12.43. Масштабирование виртуального лабораторного стенда

Ценным источником информации является сайт и форум разработчиков http://www.ultrashock.com, пожалуй, единственный источник по программированию компонентов Flash MX 2004.

Flash становится популярной платформой для создания ВЛП; в частности, на рис. 12.42 изображен многофункциональный лабораторный стенд по дисциплине «Электрический привод».

Виртуальный лабораторный практикум по дисциплине воспроизводит возможности реального лабораторного практикума. Высокая насыщенность стенда виртуальными приборами привела к необходимости использования средств масштабирования стенда (рис. 12.43), повышающего комфортность проведения лабораторных занятий.

12.3.7. Реализация ВЛП на примере виртуального лабораторного практикума по электротехническому материаловедению

Теперь рассмотрим реализацию ВЛП на примере виртуального лабораторного практикума по электротехническому материаловедению. Постоянно в работе, продолжавшейся девять месяцев (почти два месяца ушло на подготовку и освоение технологий), участвовало два человека, в пик работы над проектом в нем принимало участие шесть человек.

На первой стадии были разработаны спецификации самого ВЛП, повторно используемых компонентов, включая виртуальные измерительные приборы (вольтметры, цифровые мосты, гальванометры), виртуальное оборудование (измерительные ячейки, термостаты и т.п.), вспомогательные средства (универсальный

524

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

Рис. 12.44. Часть каталога виртуальных устройств

загрузчик виртуальных лабораторных стендов, компонент отображения индивидуальных заданий на проведение лабораторной работы), средства виртуальной сборки электрических схем стендов.

Удалось достичь высокой степени унификации: загрузка, описание и представление заданий на проведение лабораторной работы, порядок выполнения работ едины для всех разработанных в настоящее время шести лабораторных работ ВЛП.

Для реализации серверной части ВЛП ЭТМ использовалась технология ASP.Net, клиентская часть создана с помощью Macromedia Flash 2004.

На второй стадии были разработаны компоненты виртуальных измерительных устройств и оборудования.

Часть каталога виртуальных устройств приведена на рис. 12.44 (каталог использовался на третьей стадии создания стендов — их сборки).

На третьей стадии с помощью приемов сборочного программирования с привлечением студентов осуществлялась сборка лабораторных стендов. Это позволило сборщикам сосредоточиться на алгоритмах функционирования лабораторных работ, не отвлекаясь на создание пользовательского интерфейса.

Управление выполнением лабораторных работ осуществляется данными. Это позволяет легко расширять функциональность лабораторных работ, создавая новые задания на их выполнение. Индивидуальные задания для выполнения лабораторных работ подготавливаются в виде XML-файлов, унифицированный модуль загрузки позволяет, с одной стороны, использовать эти данные, а с другой — отображать их обучаемому. Пример задания на загрузку лабораторных стендов и данных приведен ниже.

525

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?> <loadSetting>

<title>

Лабораторная работа №1. Электропроводность твердых диэлектриков

</title>

<items>

<!––Описание варианта––>

<item object="variant.xml" target="xml" type="xml"/> <!––Зависимость удельного объемного сопротивления

от температуры––>

<item object="tTask.xml" target="xml" type="xml"/> <!––Зависимость удельного поверхностного сопротивления от напряжения––>

<item object="usTask.xml" target="xml" type="xml"/> <!––Зависимость удельного объемного сопротивления от

напряжения––>

<item object="uvTask.xml" target="xml" type="xml"/> <!–– Ролик с лабораторными стендами ––>

<item object="01.swf" target="1" type="level"/>

</items>

</loadSetting>

Представленное описание включает в себя наименование лабораторной работы, отображаемое загрузчиком, описание заданий (формируется на сервере) и описание файла с исполняемым модулем Flash, реализующим виртуальный лабораторный стенд.

Далее приводится описание задания одного эксперимента виртуальной лабораторной работы.

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?> <object name="tTask">

<!–– Описание задания ––>

<task name="Эксперимент 1 (всего экспериментов 3)" value="Снять зависимость удельного объемного сопротивления от температуры ?v(T)"/>

<task name="Образец" value="Полиэтилентерефталат (ПТЭФ)"/> <task name="Начальная температура (градусы Цельсия)"

value="20"/>

<task name="Конечная температура (градусы Цельсия)" value="240"/>

<task name="Шаг по температуре (градусы Цельсия)" value="10"/>

<task name="Толщина образца (h, мм)" value="0.25"/> <task name="Диаметр внутреннего электрода (Dвнутр, мм)"

value="50"/>

<task name="Диаметр внешнего электрода (Dвнешн, мм)" value="54"/>

526

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

<task name="Напряжение на образце (U, B)" value="600"/> <task name="Постоянная гальванометра (К, А/деление)"

value="3.5e-8"/>

<!–– Данные для функционирования лабораторной работы ––> <!–– Наименование образца ––>

<string name="sampleName" value="ПЭТФ" dsc="Полиэтилентерефталат (ПЭТФ)"/>

<!–– Минимальная температура ––> <number name="minT" value="20"

dsc="Минимальная температура" units="C"/> <!–– Максимальная температура ––>

<number name="maxT" value="240"/>

<!–– Время нагрева в минутах от минимальной до максимальной температуры ––>

<number name="duration" value="0.3"/> <!–– Толщина образца в миллиметрах ––> <number name="h" value="0.25"/>

<!–– Внутренний диаметр электрода в миллиметрах ––> <number name="D1" value="50"/>

<!–– Внешний диаметр электрода в миллиметрах ––> <number name="D2" value="54"/>

<!–– Напряжение на образце в вольтах ––> <number name="U" value="600 В"/>

<!–– Константа гальванометра ––> <number name="gConst" value="5e-4"/>

<!–– Массив полных сопротивлений, Ом ––> <object name="R">

<number name="0" value="18502718"/> <number name="1" value="11675792"/> <number name="2" value="4649304"/> <number name="3" value="116894"/> <number name="4" value="11696"/> <number name="5" value="1170"/> <number name="6" value="294"/>

</object>

<!–– Массив температур, С ––> <object name="T">

<number name="0" value="20"/> <number name="1" value="60"/> <number name="2" value="100"/> <number name="3" value="140"/> <number name="4" value="180"/> <number name="5" value="220"/> <number name="6" value="240"/>

</object>

</object>

527

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

Описание задания используется, с одной стороны, для визуализации его обучаемому, а с другой — для описания функционирования лабораторного стенда. На рис. 12.45 приводится задание на выполнение лабораторной работы, автоматически генерируемое из XML-описаний.

Такое построение обладает существенным достоинством — функционирование лабораторного стенда в основном определяется заданием, получить которое можно только с сервера учебно-методического комплекса по электротехническому материаловедению и только авторизованным пользователям. Неавторизованные пользователи могут работать только с демонстрационным вариантом лабораторной работы.

Все лабораторные стенды комплекса имеют унифицированное построение. Первоначально перед обучаемым появляется окно универсального загрузчика с наименованием лабораторной работы (рис. 12.46).

Щелкнув мышью на наименовании работы, обучаемый следит за процессом загрузки исполняемых модулей и данных. После завершения загрузки перед обучаемым появляется задание на выполнение лабораторной работы, которое было представлено ранее на рис. 12.45.

Выполнение лабораторных работ включает в себя проведение нескольких экспериментов, лабораторный стенд для проведения эксперимента расположен на отдельной вкладке. Так, на рис. 12.47 представлен лабораторный стенд для исследования потерь и поляризации в твердых диэлектриках.

Выполнение каждого эксперимента виртуальной лабораторной работы начинается со сборки электрической схемы, коммутация осуществляется перетаскиванием мышью клемм соединяемых элементов. Если коммутация выполняется правильно, то соединение становится видимым, в противном случае клемма медленно возвращается на место. Включить лабораторный стенд и приборы можно только после сборки схемы.

Рис. 12.45. Задание на выполнение виртуальной лабораторной работы

528

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

Рис. 12.46. Универсальный загрузчик лабораторных стендов

Рис. 12.47. Виртуальный стенд для исследования потерь и поляризации в твердых диэлектриках

529

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

Стенд, готовый для проведения измерений удельного объемного сопротивления твердых диэлектриков, показан на рис. 12.48.

Измерения проводятся следующим образом: после включения термостата для каждой температуры, указанной в задании, обучаемый изменяет значение шунта гальванометра (баллистического измерителя тока) так, чтобы его отклонение было максимальным, но не выходило за пределы шкалы. Измеренное значение отклонения записывается в лабораторный журнал, после чего рассчитываются сначала сопротивления образца, а затем и удельного объемного сопротивления материала.

По аналогии с реальным лабораторным стендом, если обучаемый не будет аккуратно выставлять значение шунта при уменьшении сопротивления образца, виртуальный лабораторный стенд «выйдет из строя» и эксперимент придется начать сначала. Если очередная точка измерения пропущена, то термостат придется выключить, дождаться установления пропущенной температуры, выполнить измерения и включить термостат.

Исследование зависимости удельного объемного сопротивления от приложенного напряжения отличается тем, что фиксируется температура образца и осуществляется изменение приложенного напряжения с помощью кнопок, расположенных на источнике питания (рис. 12.49).

Стенд для измерения удельного поверхностного сопротивления отличается от рассмотренных стендов электрической схемой (рис. 12.50).

позволяет легко менять индивидуальные задания на выполнение лабораторных работ. Например, если требуется исследовать зависимость удельного объемного сопротивления от температуры не для одного, а для трех материалов, достаточно сделать ссылки на файлы с описаниями этих экспериментов в файле ini.xml (пример такого файла приведен на с. 526) и добавить два файла описаний экспериментов (пример описания на с. 526—527). Теперь после запуска лабораторного

Рис. 12.48. Измерение объемного сопротивления твердых диэлектриков в зависимости от температуры

530

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

стенда он будет содержать не четыре, а шесть вкладок со стендами для экспериментов. Соответственно будет дополнено отображаемое пользователю описание задания, название материала образца отображается в верхней части термостата, как показано на рис. 12.50.

Высокая унификация используемых виртуальных компонентов и технологий позволила существенно сократить трудоемкость разработки виртуального лабораторного практикума.

Рис. 12.49. Исследование зависимости объемного сопротивления от приложенного напряжения

Рис. 12.50. Стенд для измерения поверхностного сопротивления

531

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

Новый стенд создается на основе компонента-основы, реализующего панель с набором вкладок. Напомним, что число вкладок и надписи на них определяются не программным кодом, а данными — содержимым XML-файлов.

На каждую используемую вкладку (сцену в терминологию Macromedia Flash) сначала перетаскивается дизайнерская заготовка, используемая для контроля размещения виртуальных устройств.

Нарисованные дизайнером картинки постепенно заменяются предварительно созданными компонентами, которые перетаскиваются мышью из библиотеки специальных компонентов, после чего осуществляется их настройка в интегрированной среде разработки Macromedia Flash. Настройка сводится к выбору цветов из палитры, вводу надписей, выбору значений свойств из палитры в инспекторе свойств интегрированной среды разработки.

Сборочное программирование предполагает написание интегрирующего кода, который представляет собой в основном обработчики событий.

В качестве примера рассмотрим, как обеспечивается сборка электрической схемы стенда. Каждое видимое соединение является именованным клипом Flash, на который визуально накладывается компонент соединения Connection так, чтобы клипы видимого соединения и компонента совпадали. После этого достаточно ввести имя клипа видимого соединения в качестве значения свойства компонента. Теперь соединение можно тестировать — оно становится видимым только после корректного перетаскивания мышью клемм соединения.

При использовании нескольких соединений необходимо написать простую функцию, проверяющую, все ли требуемые соединения выполнены. Если это так, функция должна разблокировать включение стенда. Функцию нужно поместить во все обработчики события соединения экземпляров компонента Connection.

Примерно так же осуществляется программирование других функций лабораторного стенда.

Приведем изображения других лабораторных стендов, входящих в состав ВЛП. Лабораторный стенд, позволяющий исследовать зависимости диэлектрической проницаемости и потерь в твердых диэлектриках от температуры и приложенного

напряжения, изображен на рис. 12.51.

Рис. 12.51. Виртуальный лабораторный стенд для исследования диэлектрической проницаемости и потерь твердых диэлектриков

532