Длительная образовательная игра с применением свободного аппаратного и ПО (Александр Чернышов, OSEDUCONF-2026)

Ссылки сюда (1) →

Короткая ссылка: 20260207I

Докладчик

Александр Чернышов

Свободное аппаратное и программное обеспечение в учебном процессе вуза удобно применять для практической подготовки студентов, в том числе для их самостоятельного технического творчества. При этом необходимо сформулировать для студентов общественно-полезную цель.

Одна из возможных формулировок такой цели — систематическое слежение за окружающими параметрами атмосферы в помещениях учебного заведения.

Показаны примеры реализации этого подхода в учебном процессе кафедры К3 МФ МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Презентация

Thesis

Ключевые слова: Arduino, практическая подготовка, самостоятельная работа, общественная польза, длительный малобюджетный проект.

Одной из важных тенденций в современном образовании, наряду с фундаментальной основой, является ориентированность на решение практических, прикладных задач. Однако здесь существует противоречие. С одной стороны, для получения практического опыта решения технических задач студенты должны действительно заниматься решением этих задач. С другой стороны, отсутствие практического опыта не позволяет им поручить решение сколько-нибудь серьёзной задачи, ограничиваясь лишь незначительными учебными задачами, решение которых давно известно. Это в свою очередь приводит к низкому интересу студентов к процессу решения таких задач и стремлению просто «подсмотреть ответ».

Проблема привлечения студентов к решению реальных задач может стоять даже при качественном оснащении лабораторий дорогостоящим оборудованием. Для работы на таком оборудовании требуется специальная подготовка, которую по определению можно обеспечить только для избранных. К тому же по-настоящему ценное оборудование обычно представлено в единичных экземплярах, что исключает использование его на всём потоке обучения.

Выходом может быть использование совокупности свободного аппаратного и программного обеспечения, одним из ярких примеров которого сегодня является платформа Arduino. Однако для постановки реальных задач, которые должны быть решены студентами, необходима формулировка практической цели.

Но просто формулировка цели недостаточна. Требуется зажечь в студентах интерес к массовому участию в движении к этой цели с чётким пониманием необходимости передачи своих достижений следующим поколениям. Такой подход очень близок по сути к сформулированному в начале XX в. Иннокентием Николаевичем Жуковым понятию «длительной массовой игры» с целями, направленными на пользу обществу.

Основная идея заключается в создании недорогих и потому допускающих массовое изготовление приборов, выполняющих измерение различных параметров окружающей среды. Эти приборы объединяются в измерительную сеть, позволяющую (как одна из возможных задач) контролировать состояние атмосферы в аудиториях образовательной организации на соответствие СанПиН. Функции накопления и анализа информации в такой сети выполняет сервер под управлением ОС Linux с сервисами, реализованными (также силами студентов) на базе свободного ПО. Сама измерительная сеть также превращается в объект (большую систему), за состоянием которого необходимо следить и при необходимости проводить восстановительные мероприятия, что может стать предметом отдельной эксплуатационной практики.

Ключевым моментом является реализация специального общедоступного сервера, на котором накапливается документация по всем реализованным элементам системы. Именно это позволяет зафиксировать достигнутые результаты и передать их следующим поколениям студентов для совершенствования и развития.

Такая модель в настоящее время реализована на кафедре К3 Мытищинского филиала МГТУ им. Н. Э. Баумана. С применением технологий платформы Arduino (конкретно использован микроконтроллер ESP8266 в различных конструктивных исполнениях модулей) разработаны различные приборы, выполняющие измерения следующих параметров:

• атмосферное давление;
• относительная влажность воздуха;
• температура воздуха;
• освещённость;
• цветовая температура света;
• уровень CO₂;
• уровень TVOC.

Часть приборов выполнена в единичном экземпляре (ещё не тиражирована). Некоторые приборы выпущены микросериями (до 40 штук). Прошивка практически всех приборов выполняется с помощью среды Arduino IDE.

Для объединения приборов в измерительную сеть используются встроенные в ESP8266 возможности подключения по Wi-Fi. Каждый прибор через унифицированный интерфейс HTTP передаёт на специально выделенный сервер блок измерительных данных в формате JSON. Передача осуществляется 1 раз в минуту или 1 раз в 5 минут. Службы сервера реализованы с использованием свободного ПО, в основе которого Docker, Apache, NodeJS, PostgreSQL, MongoDB, InfluxDB, Python, Redis (студенты выбирали те инструменты, которые им удобнее).

Сервер является общедоступным в сети Интернет, что позволяет реализовать удалённые измерения. Это, в частности, позволило реализовать проект «самого большого учебного пособия школы МДЦ “Артек”»: 10 приборов измерения атмосферного давления «Паскаль» были изготовлены студентами, переданы в МДЦ «Артек» и размещены по одному во всех лагерях Артека (расстояние между крайними приборами в сети превышает 5 км). Через местный Wi-Fi каждый прибор имеет доступ к серверу накопления данных кафедры К3. Данные с сервера доступны по сети Интернет для преподавателей и обучающихся школы МДЦ «Артек», что позволяет использовать их в режиме реального времени для изучения школьных дисциплин.

Сервер документирования реализован на базе Dokuwiki.

При наличии желания такая сеть наблюдений может быть подготовлена (изготовлено необходимое количество приборов) и развёрнута силами студентов в любом вузе или подшефной школе.

Примечания и ссылки

• http://dbrobo1.mf.bmstu.ru/dokuwiki/doc:8601:meters