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Remote management by Internet of a Laboratory

1.  Autori : Nicola De Nardi - Dirigente Scolastico I.T.I.S. "A. Monaco"- Cosenza  
               Gloria Branca, Docente di Lingua straniera, Remo Scavello, Docente d'informatica
               email  :  itimonaco@libero.it

2.  Sommario
Il laboratorio didattico virtuale è finalizzato ad  esercitazioni sperimentali, accessibile da utenti remoti via Internet tramite Web Browsers  e, con l’utilizzo di un modello client server e di un software personalizzato basato sul linguaggio LabView o altro software personalizzato  OOP per l’apprendimento interattivo, in grado di fornire l’accesso a data base didattici per  l’insegnamento e il training remoto.

La strutturazione di un tale sistema offre la possibilità di superare tutti quegli svantaggi legati a limiti di tempo, lontananza, o disabilità fisica, seguendo precisi iter didattici, agevolati da procedure di verifica automatica del grado di apprendimento da parte degli studenti stessi, durante le esercitazioni di laboratorio. L’incremento del numero dei discenti,la difficoltà di disporre di strumenti costosi e sofisticati ha portato alla necessità di fornire l’accesso alla strumentazione per l’esecuzione diretta di esperimenti da remoto,così da mettere in condizione tutti i discenti di operare sulla strumentazione di misura, per tutto il tempo necessario ad una adeguata comprensione.

 Il laboratorio didattico virtuale consente:
1) l’ esecuzione delle misure reali in un laboratorio remoto, utilizzando solamente un browser Web senza nessuna altra applicazione dedicata per il lato user;
2) l’impiego di strumentazione disponibile anche al di fuori di un singolo laboratorio fisico
3) la riduzione dei tempi di attesa legati all’accesso concorrente dello stesso strumento da parte di più utenti.
4) lo sviluppo di applicazioni analoghe all’impiego di applicativi Client-Server attualmente in uso;
5) la personalizzazione di una specifica procedura di misura. Il client remoto si connette mediante un web browser al server di sistema.

L’utente utilizzerà un wizard user-friendly per la costruzione della procedura. Il wizard guiderà l’utente nella definizione dei requisiti delle sue applicazioni di misura in modo da generare la propria procedura di misura; una volta composta, essa verrà scaricata via Internet sul server del laboratorio. Sui server di laboratorio è istallato Windows 2000 server e l’ambiente di sviluppo LabView 6.1, con il relativo Web Server proprietario, il quale consente ai vari client, sia in ambito di intranet locale, che client esterni, di accedere alla strumentazione reale.La strumentazione reale è collegata al sistema server mediante interfaccia costituita dalla scheda GPIB IEE488 della National Instruments e cavi standard IEE488 . La su menzionata architettura del laboratorio distribuito accetta, interpreta, ed esegue la procedura. Ciò consente di configurare da remoto un sistema flessibile di misura distribuito su rete, con un’architettura che rende completamente trasparente all’utente, l’aspetto di comunicazione su rete e gli fornisce un’interfaccia ai servizi che il server esporta e il client invoca.

I principali elementi innovativi del laboratorio remoto distribuito di misura proposto nel presente progetto sono:
1. il laboratorio proposto non è basato su un’architettura proprietaria o dedicata. Pertanto, essa consente di superare gli inconvenienti per le suddette necessità didattiche sperimentali in termini di costi, interoperabilità, intercambiabilità, ecc., principalmente legati alla mancanza di standardizzazione. A tal fine, essa utilizza solo supporti basati su protocolli e supporti fisici standard (ad es. Internet e WWW).
2. Viene impiegata una struttura basata sulla programmazione OOP, capace di ricostruire in forma grafica l’esatto pannello frontale degli strumenti installati, in modo da rendere accessibile agli utenti tutte le funzioni degli stessi.
3. Oltre al software per il controllo e la gestione degli strumenti di laboratorio, viene sviluppato un sistema ipertestuale per la didattica relativa alle tematiche teoriche che affiancheranno le procedure operative di laboratorio.
4. E’ inserita inoltre una sessione relativa alla valutazione automatica dei risultati relativi alle prove di laboratorio, finalizzata a fornire allo studente un immediato strumento di verifica e correzione di quanto sviluppato durante la fase di esercitazione.
5. L’architettura proposta, consente di gestire la concorrenza di più utenti in maniera efficace, riservando opportuni criteri di priorità in conformità alle sperimentazioni e/o esercitazioni eseguite.

3. Legenda e caratteristiche degli strumenti

• Oscilloscopio digitale Tektronix TDS210

• Multimetro digitale FLUKE45

• Generatore di forme d’onda HP 33120

• Scheda d’acquisizione National Instruments PCI 6024

• Sistema d’acquisizione video National Instruments IMAQ 1400 con CCR camera e scheda acquisizione IMAQ PCI 1409

• Il PROCESSO sotto controllo è costituito da un sistema integrato per la produzione di schede a circuito stampato, l’assemblaggio dei relativi componenti SMD e la saldatura con forno a infrarossi. Le principali aree tecnologiche del sistema (stazione di lavorazione basata su CNC Isel 1004, stazione di assemblaggio basata su robot antropomorfo Mitsubishi RV-M2) sono sincronizzate da un PLC Festo 101.

• I codici sorgenti degli applicativi LabView sviluppati dagli autori sono disponibili presso l’Istituto e sono utilizzati per la realizzazione del laboratorio didattico.

4. Programma delle esercitazioni di laboratorio

L’architettura di laboratorio distribuito, prevede la possibilità di effettuare due diverse tipologie di esercitazioni didattiche, sia nell’ambito delle misure elettroniche, che nel settore del controllo dei processi. Sono quindi state individuate le seguenti modalità di esercitazioni didattiche: a) prove di riflettometria su cavi coassiali integrati e distribuiti all’interno della struttura scolastica; (SETTORE MISURE ELETTRONICHE)
b) determinazione della banda passante, dei valori di THD, dei valori di SNR per dispositivi di amplificazione di segnale a guadagno variabile; (SETTORE MISURE ELETTRONICHE)
c) determinazione del valore di accuracy di uno strumento da laboratorio in fase di taratura; (SETTORE MISURE ELETTRONICHE)
d) interazione in remoto con il PLC Festo 101 per il controllo e la sincronizzazione delle varie fasi di lavoro del sistema integrato per la produzione e l’assemblaggio dei circuiti stampati, con visione in remoto tramite acquisizione di immagini delle fasi di attività del processo; (SETTORE CONTROLLO DI PROCESSO).

5. Rete Intranet-Internet d’Istituto,schema a blocchi del laboratorio didattico,sicurezza.

Il laboratorio didattico comandato in remoto via Internet utilizza la rete Intranet-Internet dell’Istituto costituita da una rete Intranet cablata parte in fibra ottica e parte in cavo;tale rete collega tre edifici,30 laboratori(di cui 15 d’informatica),uffici e biblioteca.La rete è alimentata da una linea CDN a 256Kbps che sta per passare a 2Mbps,con un indirizzo di classe C e tre server Internet:due Linux Red Hat per l’Istituto www.itimonaco.cs.it[ mail server e web,ftp,telnet server ed uno Windows 2000 per gli ospiti,ove si ospita il CSA della provincia di Cosenza www.csa.cs.it .Ogni laboratorio ha un server windows 2000 per gestire la rete locale. Il laboratorio didattico usa il sistema hard soft descritto nello schema a blocchi della pagina seguente,ed utilizza una serie di strumenti dotati d’interfaccia IEE 488 e GPIB card,e software LabView Visual OOP,che è stato utilizzato dagli autori per scrivere gli applicativi e i codici sorgenti per la realizzazione dell’attività.Il sistema è dotato di lue livelli di sicurezza ad evitare un uso non autorizzato da un qualsiasi utente remoto e possibili danni al sistema e agli strumenti. L’utente remoto si collega al main server internet della scuola ed accede alla pagina web del laboratorio solo tramite una username ed una password.Da questa pagina si può accedere al Lab View server 1 ed al Lab View server2,solo tramite una procedura d’identificazione configurata sui due server Lab View .L’utente può accedere al laboratorio anche dall’interno della scuola tramite client interno e procedura d’identificazione.L’esperienza di questo laboratorio didattico virtuale è trasferibile ad altre scuole ,che possono utilizzarlo anche come modulo in e-learning.

6. Riferimenti bibliografici.

Calvani A.,Rotta M, Comunicazione e apprendimento in Internet, Erickson,Trento, 1999.
Branca G. De Nardi N.,altri autori :Agorà 2000 :commercio elettronico,telelavoro,telecontrollo
De Nardi N., Palumbo A.,Scavello R.,Laboratorio didattico virtuale comandato in remoto via Internet,Atti Didamatica 2003, Genova,
De Nardi N.,G.Branca,R.Scavello : E-learning nella scuola telematica: una soluzione di sistema. Atti Didamatica 2004,Ferrara .
Galliani L., Ambienti multimediali di apprendimento, Pensa Multimedia,Lecce, 1999.
Pedroni M., E-learning come fattore di innovazione didattica, Atti Didamatica 2003, Genova, pp.608-609
Petrucco C.,(2002),Learning Objects:un nuovo supporto all’eLearning?,IS informatica & Scuola,Anno X-N.3
Russo P.G.,Ambienti on line e corsi in presenza,newsletter Form@are, n.4, 2001 .

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