Školní fyzikální laboratoře současnosti a budoucnosti František Lustig Matematicko fyzikální fakulta UK Praha, Katedra didaktiky fyziky, ČR 1. Úvod Příspěvek chce ukázat trendy ve školních laboratořích. Měření s podporou počítačů jsou již samozřejmostí, využití internetu a WWW si v laboratořích právě nachází své uplatnění, vzdálené laboratoře jsou žhavou novinkou a využití skupinové videokonference je teprve záležitostí blízké budoucnosti. Na konkrétním vývoji školního experimentálního systému ISES - od soupravy přes sytém až po studio - bude ukázán vývoj laboratoří od doby, kdy tam vstoupil počítač. 2. Laboratoře s počítačem Počítače vstoupily do školních laboratoří v ČR a SR až s příchodem mikropočítačů např. IQ151 a PMD-85 cca v roce 1985. Nejdříve se jednalo o pouhá měření s počítačem, obdobná klasickým měřením s analogovými či digitálními přístroji - můžeme zmínit např. soupravu ISES s počítačem. Záhy se ukázalo, že naměřené výsledky počítač umí velice elegantně vyhodnotit. Zde bychom mohli zmínit např. typického zástupce - systém ISES - Inteligentní Školní Experimentální Systém. Jmenovaný měřící systém je v České republice nejrozšířenější. V současné době je na více než 450 školách. Systém tvoří nejen hardware (12 bit. ADDA převodník s 8 vstupy a 2 výstupy, sada cca 20 čidel pro fyziku, chemii a biologii), ale i software (Windows i DOS) a teachware zahrnující podrobný popis více než 150 experimentů a v současnosti i cca 20 laboratorních úloh.
Obr.1.: Známé prostředí měřícího systému ISES Systém umožňuje snímání veličin, jejich zobrazení v grafickém, digitálním, časovém i XY módu, zpracování naměřených dat (aproximace, derivace, integrace aj.) a to jak off-line, tak i on-line (!), aj. Data lze dále zpracovávat jak v samotném programu ISES tak i v dalších standardních tabulkových procesorech (Excel, Quattro) resp. též v modelovacím systému Famulus [1]. Za zmínku stojí právě spolupráce se systémem Famulus. To byla doba, kde jsme nejenom měřili, ale i modelovali [2]. Ve školním prostředí jsme postupovali metodami obdobnými jako ve vědecké práci (formulace problému, příprava teoretických podkladů, vytvoření pracovní hypotézy a návrh jejího ověření, vlastní provedení experimentu, formulace výsledků experimentu, porovnání výsledků s vytvořenou hypotézou, pokus o zobecnění problematiky).
3. Laboratoře s internetem Internet v podobě e-mailů a WWW nás již učinil doslova závislými. Co ale s internetem v laboratoři? První vlaštovky se objevují v podobě databází experimentů na internetu [3]. Stále je k dispozici na http://www.ises.info databáze experimentů i laboratorních úloh, které si lze prohlížečem "stáhnout" do svého počítače. Aktivovaný experiment máte náhle u sebe na počítači včetně měřícího prostředí ISESWIN a jste ve fázi, jako byste experiment právě naměřili. Opět ho lze zpracovat výše uvedenými metodami včetně fitování a modelování. S experimentem však lze stáhnout i celé doprovodné prostředí včetně rozsáhlých manuálů v podobě OLE objektů. Experiment sice nemůžete zpětně interaktivně nastavit a proměřit na vzdáleném počítači, ale pokud máte hardware ISES u svého počítače, můžete experiment opakovat, nově naměřit(!). Tato fáze je jakýsi přechod od virtuální laboratoře ke vzdálené laboratoři. 3.1. Laboratorní studio iSES Cca v roce 2000 přicházíme s novými „top“ možnosti ve školních fyzikálních laboratořích. Vzniká Laboratorní studio iSES (internetové Školní Experimentální Studio), které propojuje zavedené měřící systémy ISES (Inteligentní Školní Experimentální Systém), Lab VIEW a LEGO s Internetem [4]. Čtenář nechť odliší starý známý systém ISES (Inteligentní Školní Experimentální Systém) a studio iSES. Doprovodné prostředí experimentů již není součástí naměřených dat (OLE), ale je v podobě WWW stránek s bohatými hypertextovými a multimediálními možnostmi.
Obr.2.: Laboratorní studio iSES - "miniportál" pro vstup do světa laboratoří na platformě ISES, LabVIEW, LEGO a internetu. 3.2. Vzdálené laboratoře V roce 2000 zkoušíme opravdové, reálné vzdálené experimenty. Úplné začátky této internetové komunikace jsou s programem NetMeeting (případně podobnými programy umožňujícími sdílení). Využíváme "sdílení programu" ISESWIN (klasické sdílení programu, avšak v tomto případě nám sdílení umožňuje ovládat nejenom samotný program, ale i hardware ISES). Toto spojení se vzdáleným experimentem má kromě "měřícího kanálu" ještě k dispozici "videokanál", "audiokanál"a textový a grafický chat. Kvalita video a audiokanálu je velmi špatná, ale myšlenka s videokonferencí se vynoří ještě jednou!. V roce 2002 spouštíme první vzdálené experimenty na úrovni server - klient [5]. První pokusy se specializovaným klientem (uživatel musí mít speciální SW, který komunikuje se vzdáleným serverem) jsou nepohodlné. V zahraničí jsou na tomto principu provozovány vzdálené laboratoře založené na měřícím systému LabVIEW a jeho technologii Remote Panels.
Nám se ale výhodnější jeví ovládání serverového počítače prostřednictvím standardního prohlížeče (např. Internet Explorer, NetScape aj.), který má v prostředí Windows podporu jazyka Java, (který je automaticky k dispozici, resp. se z volně dostupných zdrojů doinstaluje). Tato cesta se nám zdá uživatelsky velmi přátelská, o čemž svědčí množství přístupů. Serverovou stranu tvoří počítač s měřícím systémem ISES, prostředí Windows, libovolný web server a naše serverové moduly ImageServer, MeasureServer, HTTPRelayServer. Na serverové straně jsou na vytvořených WWW stránkách použity applety, které umožňují vytvořit ovládací tlačítka a posuvníky pro ovládání výstupů, applety pro měření a digitální zobrazování vstupních veličin, applety pro grafické zobrazování vstupních veličin, applety přenos naměřených hodnot do klientského počítače, applety pro přenos obrazu z WEB kamery, atd. Tuto softwareovou stavebnice jsme nazvali "ISES WEB Control" [6] a sestává prozatím z 15 appletů, které mají mnoho vstupních parametrů a umožní velkou flexibilitu. Provozování vzdálených laboratoří se jeví jako složitá úloha. Zato tvorba WEB stránek se stala rutinní záležitostí. Softwareová stavebnice ISES WEB Control pro podporu vzdáleného měření a řízení umožní i začínajícím tvůrcům WEB stránek jednoduchým způsobem zapracovat do svých stránek prvky pro podporu vzdálených experimentů [7]. Ukázky vzdálených experimentů, využívajících stavebnice ISES WEB Control, jsou na http://kdt14.karlov.mff.cuni.cz - dnes již proslavené řízení vodní hladiny (cca 4.000 přístupů). HW aparatury bylo sestaveno z komponent soupravy ISES. Uživatel mohl po internetu ovládat zapínání a vypínání vodního čerpadla, stav vody byl sledován WEB kamerou, voda mohla přetékat. Tuto úlohu jsme nechali jako multipřístupovou. Současně mohlo ovládat hladinu mnoho uživatelů, aktivní byl vždy poslední příkaz. Někdy se zde rozpoutal zajímavý souboj. Další úloha je již delší dobu vytvářena v rámci diplomové práce A.Řeháka z PedF UK Praha [8], (vedoucí dipl. práce F.Lustig). Pracovní verze je živě na na http://kdt20.karlov.mff.cuni.cz . Uživatel točí různou rychlostí tyčovým magnetem. V cívce se indukuje napětí, které není dokonale sinusové, velikost indukovaného napětí závisí na rychlosti rotujícího magnetu. Napětí se měří soupravou ISES.
Obr.3.: Elektromagnetická indukce s rotujícím magnetem http://kdt-20.karlov.mff.cuni.cz Úlohu je možno ovládat, úlohu lze sledovat WEB kamerou, v úloze je on-line vykreslován graf a nyní to nejzajímavější - v úloze lze spustit start a stop záznamu měření, dokonce několika měření. A tato měření lze přenést přes datový soubor, ale i přes schránku (clipboard) do vlastního počítače, např. rovnou do Excelu(!). Úloha je jednopřístupová, uživatel ji má k dispozici 5 minut, další uživatel čeká v řadě, resp. lze na požádání zvolit přístup pouze přes heslo. Prostředí úlohy viz obr. 3. Tato úloha se svou autentičností blíží pocitu, že opravdu
měříte vy a že to není simulace. Rovněž výstupy z úlohy máte možnost zpracovat ihned na svém počítači. To vše vytváří pocit smysluplné laboratorní úlohy. Na http://kdt-16.karlov.mff.cuni.cz jsou další vzdálená sledování, kde můžete měřit teplotu, tlak aj. v Praze i s možností výběru dat a stažení dat. Úloha má pojetí "remote sensing", úloha nemá řízení experimentu, "pouze" se zde měří a měří a naměřená data se poskytují přistupujícímu klientovi. Jak si postavit svůj vlastní vzdálený experiment? Je to jednoduché. Stačí k tomu počítač, hardware ISES a software ISES WEB Control. Potřebujete počítač, na kterém běží lokálně hardware ISES (ADDA karta, panel ISES a čidla ISES). Počítač by měl umožnit provozování WWW serveru (v současné době jsou to typicky Win98 a volně dostupný web server PinkNet Web Server 2.0, http://pnws.pinknet.cz ). Na tomto počítači umístíte do WWW prostoru HTML stránky se vzdáleným experimentem - tj. HTML text s applety stavebnice ISES WEB Control. Asi by nebylo jednoduché tyto applety vytvořit, a proto jsme připravili hotové applety, které se použijí technikou "vezmi a zkopíruj" do HTML stránky. Applety mají mnoho vstupních parametrů, takže i náročný uživatel si ho upraví k obrazu svému. Asi jednoduše pochopitelné budou applety - tlačítka pro výstup hodnoty (napětí), či pro vstup naměřené hodnoty, či applet posuvník - scrollbar. Pro zobrazování WEB kamery je k dispozici další připravený applet. Další applety slouží ke komunikaci se měřícím serverem, navazují spojení, zobrazují frontu uživatelů, umožňují záznam, výběr a grafický výstup experimentu, umí vygenerovat naměřená data aj. Ke stavebnici je samozřejmě manuál, který popisuje možnosti, které využijete až později. Na serverové straně kromě HTML stránek s applety umístíte a spustíte serverové aplikace, které zprostředkují komunikace s hardwarem. Na serveru běží kromě již zmíněného libovolného standardního WEB serveru, další důležité naše serverové aplikace jako ImageServer pro podporu WEB kamer, MeasureServer pro ovládání hardware např. pro náš ISES, HTTPRelayServer pro připojování uživatelů s omezenějšími přístupy (blokování nestandardních portů - nutné např. pro uživatele INDOŠ). Toť vše. A máte vzdálenou laboratoř a čekáte první klienty, kteří se připojují pomocí standardního prohlížeče např. Internet Explorer. Nyní už stačí "jenom" vymýšlet úlohy, které jsou "samoobslužné" a nevyžadují lidskou ruku. A věřte, vymyslet takové úlohy, není až tak jednoduché.. Klienty na svých stránkách upozorníte, že musí mít povolenu podporu jazyka Java - nastavuje se v možnostech prohlížeče. Starší Win98 toto mají implicitně povoleno, avšak nové Win 2000-XP vyžadují doinstalování podpory pro jazyk Java (např. na http://www.sun.com ). 4. Laboratoře s videokonferencí Quo vadis školní laboratoře?! V laboratořích máme počítače. Počítače jsou na internetu. Pokusy již nemusíme mít ani v naší laboratoři. Měříme kdykoliv a kdekoliv a cokoliv. Chybí nám něco? ANO, tak jako u e-learningu a u dalších distančních aktivit nám začíná chybět face to face komunikace! A proto přicházíme s novou vizí - s internetovou televizí! V tomto roce chceme do školních laboratoří se vzdálenými i lokálními experimenty zařadit skupinovou videokonferenci. Nikoliv videokonferenci typu NetMeeting, ale profesionální videokonferenci využívající protokoly H.323 a H.264 pro přenos zvuku v kvalitě "CD" a přenos obrazu, který se blíží "TV". Videokonference je provozována na internetové síti (resp. běží i na ISDN). Zařízení videokonference disponuje kvalitní kamerou, kterou je možné ovládat na obou stranách, mikrofon má všesměrovou charakteristiku a velice kvalitní přenos. Videokonference umožňuje nejenom přenos svého "vlastního" videa a audia, ale umí přenášet počítačové prezentace, externí videa a audia, umí sdílet programy,aj. Též je možné provozovat multipointní propojení několika účastníků videokonference. Videokonferenční přenos je nejkvalitnější pokud mají obě strany vlastní videokonferenční zařízení. To je velmi
nákladné, avšak lze využít i tzv. "streemování" přenosu na volně dostupný WWW server, a tím je umožněn videokonferenční přenos i běžným uživatelům internetu s pouhým prohlížečem typu Internet Explorer, NetScape aj. Více informací a zkušeností s provozem videokonferencí až příště. Naše videokonference má IP adresu 195.113.33.232. Těšíme se videokonferenční spojení. 5. Závěr Vzdálená laboratoř s videokonferencí byla právě spuštěna! Cílem projektu "Distanční laboratorní multimediální studio" je provozovat laboratoř se vzdálenými non stop přístupnými experimenty. V této laboratoři však bude lektor, který může živě vstoupit do obsluhy experimentů, či jen tak do diskuse. Laboratorní studio chce tímto způsobem "distribuovat" po internetu laboratoře i s přednášejícími. Projekt je plánován tak, že jedno videokonferenční zařízení bude zapůjčováno zájemcům na školách všech typů. Zájemce vyškolíme ve vzdálených laboratořích i ve videokonferencích. Vše zdarma, odměnou nám bude spolupráce s vámi! Literatura [1] Dvořák, L., et all.: FAMULUS 3.5 (příručka uživatele), Praha, Comp.Equipment, Famulus Etc., 1992 [2] Lustig, F.: Informační technologie v novém pojetí školních experimentů, In. Konference DidInfo 2000, Bánská Bystrica 2.-3. marec 2000, 41-44. [3] Lustig, F.: „Interaktivní internetové studio iSES“, in sborník ICTE 2001, Rožnov pod Radhoštěm, 27-31. [4] Lustig, F.: "Internetové laboratorní studio", in sborník POŠKOLE 2001, Praha, 127-132, 2001. [5] Lustig, F.: "Vzdálené reálné školní laboratoře na internetu", in sborník POŠKOLE 2002, Praha, 33-38, 2002 [6] Lustig, F., Dvořák, J.: "ISES WEB Control", softwareová stavebnice pro vzdálené laboratoře se soupravou ISES, Výroba učebních pomůcek PC-IN/OUT, U Druhé Baterie 29, 162 00 Praha 6, tel 602 858 056, Praha, 2003 [7] Lustig, F.: „The ISES WEB Control software kit for simple creation of remote experiments", in sborník ICTE 2004, Rožnov pod Radhoštěm, 24-30, 2004. [8] Řehák,A.: Diplomová práce -"Fyzikální experimenty ve vzdálené laboratoři", vedoucí F.Lustig, MFF.UK Praha, 2004. Autor RNDr. František Lustig, CSc, Univerzita Karlova v Praze – Matematicko fyzikální fakulta, tel.: 602 858 056,
[email protected], http://www.ises.info Abstract This paper describes school laboratory based on computer, on Internet, on WWW and on Videoconferencing. Computer and internet aided systems ISES, LabVIEW and LEGO for remote laboratory. The software kit "ISES WEB Control" for simple creation of remote experiments, measurements and control.
