RAZVOJ UDALJENIH EKSPERIMENATA NA INŽENJERSKIM STUDIJSKIM PROGRAMIMA

Transcription

1 Paper No.UP1-3 RAZVOJ UDALJENIH EKSPERIMENATA NA INŽENJERSKIM STUDIJSKIM PROGRAMIMA Dragan Šešlija 1, Rade Doroslovački 2, Vladimir Katić 3, Dragiša Vilotić 4, Ilija Kovačević 5, Srđan Kolaković 6 1,2,3,4,5,6,7 Univerzitet u Novom Sadu, Fakultet tehničkih nauka, Novi Sad, Srbija 1 seslija@uns.ac.rs, 2 ftndean@uns.ac.rs, 3 katav@uns.ac.rs, 4 vilotic@uns.ac.rs, 5 ilijak@uns.ac.rs 6 kolak@uns.ac.rs, Kratak sadržaj: U cilju povećanja kvaliteta i efikasnosti studiranja na Fakultetu tehničkih nauka u Novom Sadu se razvijaju udaljene laboratorije kojima se studentima omogućava nova dimenzija studiranja. U radu je prikazan razvoj ove oblasti, neki od razvijenih eksperimenata, metode povezivanja eksperimenata preko interneta i web platforma koja objedinjuje sve resurse udaljenih laboratorija koje postoje na Fakultetu tehničkih nauka u Novom Sadu. Ključne reči: Udaljene laboratorije, udaljeni eksperimenti DEVELOPMENT OF REMOTE EXPERIMENTS ON ENGINEERING STUDY PROGRAMS Abstract: In order to increase the quality and efficiency of studies at the Faculty of Technical Sciences in Novi Sad is developing remote laboratories where students are provided with a new dimension of study process. The paper presents the development of the this area, some of the developed experiments, methods of linking experiments over the Internet and Web platform that integrates all the resources of remote laboratories on the Faculty of Technical Sciences in Novi Sad. Key Words: Remote laboratories, Remote experiments 1. UVOD Internacionalizacija obrazovanja je sve više zastupljena, kako u klasičnom, dodiplomskom obrazovanju, tako i u kontinuiranom (life long learning) i poslediplomskom obrazovanju (master i doktorske studije). Fakultet tehničkih nauka iz Novog Sada (FTN) je, u svom planu razvoja, kao jedan od bitnih pravaca, zacrtao i porast broja stranih studenata koji će nastavu slušati na engleskom jeziku. U tom cilju, veliki značaj se pridaje razvoju i primeni novih metoda nastave koje će omogućiti podizanje kvaliteta nastave i privlačenje što boljih stranih, ali i domaćih studenata. Kako je navedeno u radu [1] u okviru savremenih metoda za unapređenje inženjerskih studija naročito se izdvajaju tri metoda: učenje zasnovano na projektima, učenja na daljinu i upotreba daljinskih laboratorija. O učenju zasnovanom na projektima je već dosta rečeno i u ovom radu se neće razmatrati. Primena učenja na daljinu je veoma značajna za predmete koji se izvode bez potrebe za laboratorijskim radom i u tom smislu je na FTN-u već dosta urađeno. Međutim, za predmete koji zahtevaju laboratorijski rad, od suštinskog značaja je ostvarivanje mogućnosti udaljenog pristupa inženjerskim laboratorijama kako bi se i u ovoj oblasti savladavanja gradiva makar i delimično omogućilo daljinsko učenje. U ovom radu veća pažnja je posvećena razvoju udaljenih laboratorija i njihovom uvođenju u nastavni proces na FTN-u. 20 1

2 2. RAZVOJ UDALJENIH LABORATORIJA Učenje na daljinu, e-learning i na informacionim tehnologijama zasnovano učenje su ključni pojmovi koji se koriste kada su u pitanju nove tehnologije u nastavi iz oblasti inženjerskih predmeta. Korišćenjem udaljenih laboratorija u obrazovanju, studenti su u stanju da delove svog obrazovanja realizuju od kuće ili sa nekog drugog pogodnog mesta, što čini obrazovanje udobnijim i dostupnijim većem broju regiona, a naročito studentima iz ruralnih područja. Takođe, time se omogućuje da obrazovne institucije, kako na nacionalnom tako i na međunarodnom nivou, sarađuju tako što određene predmete koji se izvode na različitim lokacijama nude svojim studentima. Pri tome se kvalitet dodatno povećava time što svaki predmet realizuju najbolji predavači iz date oblasti. Veoma je važno da se ponuđeni studijski programi realizuju u priznatim visokoobrazovnim ustanovama koje mogu da garantuju kvalitet, što se potvrđuje odgovarajućom akreditacijom. Poznato je da je učenje inženjerskih disciplina specifično jer se realizuje kroz niz različitih aktivnosti, kao što su predavanja, vežbe, simulacije i korišćenje eksperimentalnih uređaja i postrojenja. Savremeno, efikasno učenje inženjerskih disciplina zahteva odgovarajuću mešavinu teorijskih i praktičnih vežbi. Jedna od glavnih karakteristika koja izdvaja inženjerstvo u odnosu na, na primer, čiste prirodne nauke, jeste to da je fokusirano na rešavanje problema u "stvarnom" svetu. Ovaj fokus inženjerskih disciplina na realni svet čini praktične vežbe (sa takozvanim "hands-on" pristupom) posebno važnim u cilju razvijanja razumevanja kako da se primene teorijska znanja za rešavanje problema u realnom okruženju. Naročito je pogodno koristiti udaljene eksperimente za učenje kod učenika srednjih tehničkih škola i studenata inženjerstva [2]. Daljinsko ili udaljeno eksperimentisanje je relativno nova komponenta za poboljšanje učenja na daljinu [3]. Udaljene laboratorije (remote laboratories) predstavljaju prostor na kome se nalaze različiti eksperimentalni uređaji i postrojenja namenjeni korisnicima koji su u procesu učenja na daljinu. Uvođenjem laboratorija sa daljinskim pristupom eksperimenatima se omogućava savremeniji i lagodniji pristup svim korisnicima. Pri tome se ne misli samo na studente, jer ovakav vid nastave omogućava da i ljudi iz privrede i drugi korisnici, na primer učenici srednjih škola, mogu da koriste eksperimentalnu opremu na daljinu. Korisnici upotrebom ovakvih sistema mogu i od kuće, u nekim slučajevima i u satima kada laboratorije ne rade, da pristupe eksperimentalnom radu. Osnovni elementi udaljenih laboratorija su eksperiment (uređaji ili postrojenja), server i omogućen odgovarajući pristup internetu. Naročito je važna povratna informacija korisniku o aktivnostima koje se dešavaju tokom izvođenja eksperimenta. 3. POVEZIVANJE EKSPERIMENTA SA KORISNICIMA KORIŠĆENJEM INTERNETA Postoje različiti načini povezivanje preko interneta, a koji će od njih biti izabran zavisi prvenstveno od tipa eksperimenta. Kod nekih eksperimenta je samo potrebno startovati eksperiment i izvršiti daljinsko očitavanje rezultata. Kao primeri takvih eksperimenata mogu se navesti očitavanja temperature u udaljenom objektu, očitavanje vrednosti pritiska u sistemima sa vazduhom pod pritiskom i tako dalje. Za studije inženjerskih disciplina su od naročitog značaja eksperimenti u kojima se realizuje neko kretanje, tako da se korisnik sa udaljene lokacije stavlja u ulogu onoga ko upravlja kretanjem. U narednom delu je dat kratak prikaz načina povezivanja koji se koriste za potrebe različitih udaljenih eksperimenata na FTN-u. Najčešće korišćeni načini povezivanja koji se koriste na FTN-u su: pristup udaljenim računarima pomoću TeamViewer a, upravljanje sistemima pomoću Web stranice, upravljanje sistemima pomoću LabVIEW aplikacije i upravljanje sistemima preko CEyeClon platforme. 21 2

3 3.1 Pristup udaljenim računarima pomoću TeamViewer a Primena aplikacije TeamViewer predstavlja jedno od najjednostavnijih rešenja za realizaciju pristupa udaljenim računarima i upravljanje eksperimentima. TeamViwer je prvenstveno namenjen za podršku na daljinu u poslovnim primenama, ali je dostupan i kao besplatna verzija za privatne korisnike. Pokazao se kao veoma pogodno rešenje za učenje na daljinu [4]. Za uspešno uspostavljanje konekcije putem TeamViewer a nisu potrebna podešavanja rutera, otvaranja portova niti podešavanja Firewall a. Povezivanje se uspostavlja putem TCP (Transfer Control Protocol) ili UDP (User Datagram Protocol) protokola pomoću glavnih TeamViewer servera. Kako bi se povezali sa udaljenim računarom potrebno je instalirati aplikaciju na oba računara i poznavati ID oznaku kao i šifru udaljenog računara. Korišćenje TeamViewer-a na ovaj način, za upravljanje eksperimentima sa udaljene lokacije, moguće je ako je eksperiment fizički povezan sa udaljenim računarom. Takođe, potrebno je i na pomenutom računaru imati PC aplikaciju odnosno korisnički interfejs namenjen za komunikaciju sa eksperimentom. Ako se želi udaljeni nadzor nad sprovođenjem eksperimenata onda je potrebno omogućiti pokretanje kamere za praćenje eksperimenta. 3.2 Upravljanje sistemima pomoću Web stranice Ukoliko kontroler koji se koristi za upravljanje kretanjem u eksperimentalnom uređaju poseduje tzv. režim rada web server, tada je njemu moguće pristupiti pomoću odgovarajuće IP adrese. Jedan od takvih primera je povezivanje mikrokontrolera Arduino Yun sa internetom. Prilikom pisanja programa za kontroler, između ostalog, potrebno je kontroler definisati i kao server i pokrenuti proces čekanja na poruku klijenta. Ovakav način slanja komande je jednostavan, ali nije praktičan za korisnika. Da bi se olakšalo upravljanje uređajem poželjno je napraviti korisnički interfejs, odnosno internet stranicu. Pristup stranici putem internet pretraživača vrši se unosom: ipadresa/sd/nazivprograma u bilo koji pretraživač. Na taj način moguće je, u zavisnosti od složenosti eksperimenta i korisničkog interfejsa, upravljati sistemom, očitavati rezultate merenja i slično [5]. 3.3 Upravljanje sistemima pomoću LabVIEW aplikacije Ako se želi upravljanje eksperimentima sa udaljenih lokacija, iako primenjeni kontroler koji upravlja eksperimentom nema ugrađenu funkciju web server a, potrebno je postaviti dodatni server računar uz eksperiment. Za povezivanje programabilno logičkih kontrolera sa internetom naročito je pogodna aplikacija LabVIEW [6]. Da bi ovakav jedan sistem funkcionisao potrebno je da se realizuju serverska i klijentska aplikacija. Serverska aplikacija namenjena je da očekuje odgovarajuću poruku od klijenta. Ona se nalazi na server računaru koji je fizički povezan sa kontrolerom, odnosno samim eksperimentalnim uređajem. Nakon obrade dobijene poruke od strane klijenta, server komunicira sa eksperimentom odnosno kontrolerom, npr. putem serijske komunikacije. U ovom slučaju, program koji se nalazi u kontroleru potrebno je samo da upravlja eksperimentom i očekuje poruku od server računara. Na server računaru potrebno je podesiti odgovarajuću IP adresu i port na kojima se očekuje komunikacija sa klijentom. Klijentska aplikacija, sa druge strane, namenjena je korisniku eksperimenta. On je u mogućnosti da podešava određene parametre eksperimenta putem odgovarajuće aplikacije. Klijent u aplikaciju unosi IP adresu servera, kao i odgovarajući port i slanjem poruke na server pokreće se eksperiment. Kako bi korisnik uspešno pokrenuo klijentsku aplikaciju potrebno je da na svom računaru ima instaliran LabVIEW Run-Time Engine. Glavna prednost ovakvog upravljanja sistemima sa udaljene lokacije u odnosu na prethodni primer ogleda se u tome što je na ovaj način moguće koristiti bilo koji kontroler, a nedostatak je potreba za dodatnim server računarom. 3.4 Upravljanje sistemima preko CEyeClon platforme CeyeClon platforma predstavlja jedno od softverskih rešenja koje omogućuje korisnicima pristup udaljenom računaru. Korisnici su na ovaj način u mogućnosti da upravljaju eksperimentima ako su oni povezani sa udaljenim server računarom. Način rada ove platforme 22 3

4 sličan je aplikacijama kao što su TeamViewer, Remote Desktop itd., ali je prvenstveno namenjena za procese učenja i obuke na daljinu. Računar sa eksperimentom potrebno je povezati sa uređajem koji ima ulogu kapije (gateway a) i posebnim softverom, čime se postiže uspostavljanje komunikacije sa glavnim serverima CEyeClon mreže. Za funkciju gateway a može se iskoristiti uređaj kao što je jeftini mikrokontroler Raspberry Pi koji je dimenzija kreditne kartice. Za funkcionisanje ovakvog sistema potrebno je računarima i kamerama koji prate eksperimente dodeliti odgovarajuće IP adrese koje se dobijaju od strane administratora CEyeClon mreže. Nakon toga, vrše se određena podešavanja i povezivanje eksperimenata, odnosno radnih mesta, sa CEyeClon mrežom putem interneta. Korisnik koji želi da pristupi određenom eksperimentu potrebno je da na svom računaru ima instaliran softver CeyeClon Viewer. Putem odgovarajućeg pristupnog portala na kome je korisnik registrovan, na primer, LiReX portala (portal na kojem se nalaze dostupni eksperimenti sa detaljima, opisima i uputstvima za upotrebu realizovani u okviru NeReLa projekta) korisnik bira željeni eksperiment. Potrebno je od administratora tražiti pristupni ključ kojim se prijavljuje na sam eksperiment koji je moguće pokrenuti samo ukoliko je dostupan, odnosno ukoliko ga niko trenutno ne koristi. Osnovna prednost opisane platforme ogleda se u tome što određenom eksperimentu u jednom trenutku može pristupiti samo jedan korisnik. Pored toga, nema potrebe za kreiranjem klijent server aplikacija koje koriste TCP/IP komunikaciju, niti za izradom web stranica koje komuniciraju sa kontrolerima već je potrebno izraditi samo jednostavne PC aplikacije koje će sa udaljenog računara ostvariti komunikaciju sa eksperimentima. Nedostatak je što je potrebna dodatna oprema kao što je udaljeni računar, gateway kao i dozvole administratora za pristup eksperimentima. 4. UDALJENI EKSPERIMENTI NA FAKULTETU TEHNIČKIH NAUKA Studenti Fakulteta tehničkih nauka u Novom Sadu, već od godine, koriste neke udaljene eksperimente u realizaciji određenih nastavnih planova i programa jer su daljinski upravljani eksperimenti integrisani u tekućoj nastavi. Na primer, na predmetu Projektovanje industrijskih uređaja na master studijskom programu Energetika, elektronika i telekomunikacije i na predmetu Laboratorija za električna merenja na strukovnim studijama Energetika - Obnovljivi izvori energije, deo vežbi se još od tada sprovodi korišćenjem daljinskih eksperimenata. Do pre dve godine su, u okviru Univerziteta u Novom Sadu, samo na Fakultetu tehničkih nauka bili uspostavljeni sledeći daljinski eksperimenti: Virtuelni generator funkcija Električna merenja: o Vežba 1: Simulacija sinusnog signala o Vežba 2: Merenje temperature u realnom vremenu o Vežba 3: Hronološko merenje temperature o Vežba 4: Merenje pritiska vazduha o Vežba 5: Merenje relativne vlažnosti vazduha o Vežba 6: Merenje CO2 u vazduhu o Vežba 7: Merenje sa Vitstonovim mostom o Vežba 8: Merenje energije solarne radijacije Učenje tehnika estimacije frekvencija u daljinskom režimu rada. U nastavku su prikazani neki od eksperimenata čiji razvoj je u toku ili su već realizovani. Na FTN-u je u toku izrada demo kompleksne automatizovane proizvodne ćelije [7] koja se realizuje u cilju istraživanja različitih problema manipulacije u naprednim automatskim proizvodnim ćelijama kao što su: optimizacija putanje robota, sinteza proporcionalnih pneumatskih upravljanja za pneumatske manipulatore, pneumatski manipulatori u kontakt zadacima, energetska efikasnost ćelije, itd. 23 4

5 Takođe, ista oprema se koristi i za obuku studenata za: programiranje robota, programiranje PLC-a i jednostavna i napredna pneumatska i elektropneumatska upravljanja. Demo kompleksna automatizovana proizvodna ćelija se sastoji od tri odvojena sistema koji mogu samostalno da rade a mogu da funkcionišu i kao integrisani sistem. Sledeća grupa eksperimenata je realizovana: standardni robotski manipulacioni zadaci, pneumatski cirkularni manipulator (slika 1) i pneumatski dvoosni manipulator za realizaciju kontaktnih zadataka (slika 2). Slika 1. Pneumatski cirkularni manipulator Slika 2. Pneumatski dvoosni manipulator Pored toga, realizovana su i tri uređaja koja se koriste za potrebe obuke studenata u oblasti konstruisanja: manipulator za aktivno merenje linearnih dimenzija (slika 3), sistem za udaljeno merenje geometrijskih tolerancija kružnosti (slika 4) i pneumatska opruga kao simulator mehaničke opruge (slika 5). Slika 3. Manipulator za aktivno merenje linearnih dimenzija Slika 4. Sistem za udaljeno merenje geometrijskih odstupanja kružnosti 24 5

6 Slika 5. Pneumatska opruga kao simulator mehaničke opruge 5. RESURSNI CENTAR ZA UDALJENE INŽENJERSKE LABORATORIJE Razvoj udaljenih eksperimenata na FTN-u odvijao se u okviru nekoliko grupa, na različitim departmanima i katedrama. U sklopu aktivnosti na projektu unapređenja nastave, a sagledavajući veliki značaj razvoja udaljenih eksperimenata za potrebe nastave i radi objedinjavanja svih napora u ovoj oblasti na jednom mestu, na FTN-u je razvijena posebna Web platforma za udaljene eksperimente pod nazivom Resursni centar za udaljene inženjerske laboratorije. Resursni centar za udaljene inženjerske laboratorije je postavljen na adresi (Slika 6). Slika 6. Web platforma Resursni centar za udaljene inženjerske laboratorije Trenutno su na web platformi postavljene tri grupe eksperimenata koje omogućavaju različitim istraživačkim timovima u okviru Fakulteta tehničkih nauka (Slika 7) da prikažu aktivne udaljene eksperimente: 1. Eksperimenti iz Mehatronike, robotike i automatizacije, 2. Eksperimenti iz Električnih merenja, 3. Eksperimenti iz Virtualne laboratorije za obnovljive izvore energije. 25 6

7 Slika 7. Grupe eksperimenata na Web platformi Resursni centar za udaljene inženjerske laboratorije FTN-a. Aktiviranjem simbola za određenu grupu eksperimenata otvara se novi prozor sa spiskom svih udaljenih eksperimenata dostupnih u okviru odabrane grupe eksperimenata (Slika 8). Aktiviranjem simbola za neki od prikazanih eksperimenata omogućen je pristup detaljnom opisu eksperimenta koji podrazumeva opis postupka izvođenja eksperimenta po koracima, zajedno sa svim pripadajućim parametrima koje je potrebno podesiti za uspešnu realizaciju eskperimenta. Osim toga, za neke eksperimente, moguće je preuzeti i aplikacije sa uputstvom za instaliranje, ukoliko su takve aplikacije neophodne za njegovo izvođenje. Na ovoj stranici se pristupa i odgovarajućoj web kameri koja omogućava praćenje izvođenja eksperimenta, ako je takva opcija dostupna za dotični eksperiment. Slika 8. Spisak eksperimenata u okviru odabrane grupe Eksperimenti iz Mehatronike, robotike i automatizacije Za opis, uputstvo, aplikacije i ostale prateće elemente eksperimenata odgovorni su istraživački timovi koji razvijaju udaljene eksperimente, dok je web platforma kao izlog u kome se nude dostupni eksperimenti i, u pozadini, vodi računa o rezervisanju termina. Naime, jedan od problema koji se javlja prilikom izvođenja udaljenih eksperimenata je ograničavanje istovremenog pristupa za više korisnika eksperimenta. U takvom slučaju postoji opasnost od blokiranja izvršavanja eksperimenta, oštećenja laboratorijske opreme, neadekvatnog izvršavanja eksperimenata, dobijanja neodgovarajućih rezultata eksperimenata, itd. Zbog toga se, paralelno sa razvojem web platforme za udaljene eksperimente na FTN-u, pristupilo i razvoju sistema zakazivanja termina za izvođenje udaljenih eksperimenata. Izborom konkretnog eksperimenta, otvara se nova web stranica na kojoj je potrebno izvršiti zakazivanje termina za pristup eksperimentu. Kako je Resursni centar za udaljene inženjerske laboratorije namenjen studentima Fakulteta tehničkih nauka sa jedne strane i studentima drugih fakulteta, profesorima, istraživačima, naučnicima i stručnjacima iz industrije sa druge strane, to je i sistem zakazivanja termina za izvođenje udaljenih eksperimenata orijentisan na dve grupe korisnika - studente FTN i goste. Za pristup studenata FTN-a, iskorišćen je sistem studentskog web servisa koji već postoji na Fakultetu tehničkih nauka (Slika 9). Ovaj sistem podrazumeva da svaki student koji se upiše 26 7

8 na FTN dobija jedinstveno korisničko ime i lozinku kojim pristupa studentskim web servisima, preko kojih može pratiti aktuelna obaveštenja, vršiti prijave/odjave ispita, pratiti položene/nepoložene ispite, ocene i ostvarene brojeve bodova na ispitima, itd. Na sličan način je rešen i pristup za goste samo se zahteva autorizacija korisnika za korišćenje odgovarajućih eksperimenata. 6. ZAKLJUČAK Za realizaciju kvalitetnih inženjerskih studijskih programa neophodno je kontinuirano ulagati napore u osavremenjivanje nastavnih i istraživačkih laboratorija, ali i u osavremenjivanje samih metoda pomoću kojih se te laboratorije koriste u obrazovnom procesu na svim nivoima studija. Pored toga, razvijena tehnologija udaljenog pristupa eksperimentalnim postrojenjima i uređajima omogućava i realizaciju naučnih eksperimenata na daljinu, korišćenjem opreme koja ne postoji u matičnoj ustanovi. FTN veoma uspešno prati a u mnogim oblastima je i lider u primeni savremenih nastavnih tehnologija. To je slučaj i sa korišćenjem udaljenih laboratorija koje predstavljaju novo, savremeno, lice Fakulteta tehničkih nauka. Slika 9. Zakazivanje termina izvođenja eksperimenta za studente FTN-a 7. LITERATURA [1] Šešlija, D., Katić, V., Doroslovački, R., Vilotić, D., Kolaković, S., & Kovačević, I., Pravci povišenja kvaliteta studija na inženjerskim studijskim programima, Zbornik radova TREND 2015, pp 58-63, Zlatibor, (2015) [2] I. Gustavsson, K Nilsson, j. Zackrisson, J. Garcia-Zubia, U. Hernandez-Jayo, A. Nafalski, Z. Nedic, O. Gol, J. Machotka, M. I. Pettersson, T. Lago, L. Hakansson, On Objectives of Instructional Laboratories, Individual Assessment, and Use of Collaborative Remote Laboratories, IEEE Transactions on Learning Technologies, Vol. 2, No 4 (2009) [3] Bjarne A. Foss, Kjell E. Malvig, Tor I. Eikaas, Remote Experimentation New Content in Distance Learning, International Conference on Engineering Education, Oslo, Norway, (2001), [4] A. Melkonyan, D. Akopian, C. L. P. Chen, Work in Progress - Real-Time Remote InternetBased Communication Laboratory, 39th ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference M2E-1, San Antonio (2009), [5] B. Bajči, S. Dudić, J. Šulc, I. Milenković, D. Šešlija, V. Reljić, Remote System for Measuring Geometric Tolerances: Roundness, Accepted for publication on International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation, Madrid, Spain, (February, 2016) [6] V. Reljić, I. Milenković, D. Šešlija, S. Dudić, J. Šulc, Development of Remote Control Pneumatic Spring, 12th International Scientific Conference MMA Flexible Technology (2015), Novi Sad, Srbija, pp [7] Ignjatović, I., Komenda, T., Šešlija, D., & Mališa, V.. Optimisation of compressed air and electricity consumption in a complex robotic cell. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 29(4), 70-76, (2013) 27 8