APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

66
UNIVERSITATEA TEHNICĂ “GHEORGHE ASACHI” DIN IAŞI APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN DOMENIUL ELECTROTEHNIC -REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT- Conducător de doctorat: Doctorand: Prof. univ. dr. ing. Cristina-Mihaela Schreiner Ing. Costel Donose IAŞI, 2020

Transcript of APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

Page 1: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

UNIVERSITATEA TEHNICĂ “GHEORGHE

ASACHI” DIN IAŞI

APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR

VIRTUALE ÎN DOMENIUL ELECTROTEHNIC

-REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT-

Conducător de doctorat: Doctorand:

Prof. univ. dr. ing. Cristina-Mihaela Schreiner Ing. Costel Donose

IAŞI, 2020

Page 2: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

UNIVERSITATEA TEHNICA "GHEORGHE ASACHI" DIN IA$I

RECTORATUL

Citre

Ve facem cunoscut cd, in ziua de 1O.O9.2O2O, la ora 10:30 link-ulhttps://meet.google.com/scv-ibic-fdm, va avea loc suslinerea publici online a tezei de

doctorat intitulat5:

"APLICATII EDUCATIONATE ALE LABORATOARELOR VIRTUATE iru nOrrlnrutUt

ELECTROTEHNIC"

elaborati de domnul DONOSE COSTEL in vederea conferirii titlului gtiingific de doctor.

Comisia de doctorat este alcdtuitl din:

1. Prof. dr. ing. Temneanu Marinel, Universitatea Tehnici,,Gheorghe Asachi" din Iagi pregedinte

2.Prof . dr. ing. Cristina-Mihaela Schreiner, Universitatea Tehnici ,,Gheorghe Asachi" din Iagi conducitor de doctorat

3. Conf. dr. ing. $tefanachi Bogdan, Universitatea Alexandru Ioan Cuza din lagi referent oficial

4. Prof. dr. ing. Ciorap Radu-George, Universitatea de Medicinl gi Farmacie Grigore T. Popa referent oficial

5. Prof. dr. ing. Haba Cristian-Gy6z6, Universitatea Tehnicd,,Gheorghe Asachi" din Iagi referent oficial

Cu aceastl ocazie vi invitim si participali la suslinerea publicl a tezei de

doctorat.

SecrTil universitate,

hryn^;r Nagi;

DAN CA$CAVAL

Page 3: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

Mulțumiri

Îmi exprim sincere mulțumiri și întreaga mea recunoștință, doamnei prof.univ.dr.ing.

Cristina-Mihaela Schreiner, conducător științific al tezei, care m-a acceptat ca doctorand și

pentru îndrumarea profesională pe parcursul întregii perioade de cercetare la realizarea

tezei de doctorat.

Mulțumesc domnului prof.univ.dr.ing. Cristian Romeo Ciobanu, pentru sfaturile utile,

încurajarea permanentă, susținerea personală la publicarea rezultatelor în cadrul

conferințelor științifice.

De asemenea le sunt recunoscător domnilor conf.univ.dr.ing Alexandru-Florentin

Trandabăț și prof.univ.dr.ing Valeriu David pentru ajutorul acordat pe parcursul elaborării

tezei de doctorat, susținerea morală și materialele biblografice pe care mi le-au pus la

dispoziție.

Mulțumesc membrilor comisiei de doctorat, domnului președinte de comisie,

prof.univ.dr.ing. Temneanu Marinel, decan al facultății de Inginerie Electrică, Energetică și

Informatică Aplicată, domnului conf.univ.dr.ing. Ștefanache Bogdan, domnului

prof.univ.dr.ing. Ciorap Radu-George, domnului prof.univ.dr.ing. Haba Cristian-Gyözö,

pentru că au acceptat să facă parte din comisie, pentru că au analizat conținutul tezei,

precum și pentru sugestiile și sfaturile acordate la elaborarea acestei teze.

Nu în ultimul rând adresez sincere mulțumiri colegilor din cadrul Școlii doctorale și

colectivului din cadrul Facultății de Inginerie Electrică, Energetică și Informatică Aplicată.

Autorul,

Iași 2020

Page 4: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

1

Cuprins

Introducere ............................................................................................................................................ 3

Prezentarea și motivația temei de cercetare ........................................................................................ 3

Obiectivele activității de cercetare ....................................................................................................... 3

Organizarea lucrării ............................................................................................................................... 4

1 Metode moderne de predare- învățare- evaluare ............................................................................. 5

1.1 Modele de învățare ............................................................................................................... 6

1.2 Modalități de interacțiune în procesul educațional online ................................................... 6

1.3 Bazele învățământului online ................................................................................................ 8

1.4 Eficacitatea învățământului online ........................................................................................ 8

1.5 Elaborarea suportului didactic pentru învățământul online ................................................. 8

1.6 Bazele teoriei învățării online ................................................................................................ 9

1.7 Pregătirea cursanților ............................................................................................................ 9

1.8 Activitățile cursanților ........................................................................................................... 9

1.9 Activitățile cursanților ............................................................................................................... 10

1.10 Învățământul electronic văzut prin tehnologii practice și filozofiile acestora ....................... 10

1.11 Scopul utilizării tehnologiei în demersul didactic ................................................................... 10

1.12 Tehnologii E-learning standardizate ....................................................................................... 11

1.13 Arhitectura sistemului de învățare electronică ....................................................................... 11

1.14 Mijloace de învățare prin tehnologii E-learning ..................................................................... 12

CAPITOLUL 2 ........................................................................................................................................ 12

2 Stadiul actual al metodelor moderne de predare-învățare-evaluare al laboratoarelor la distanță 12

2.1 Metode practice moderne de învățare în laboratoarele școlare .............................................. 12

2.2 Desfășurarea procesului de învățământ la distanță .................................................................. 12

2.3 Dezvoltarea de instrumente virtuale ........................................................................................ 12

2.4 Procesul de transmitere a datelor în mediul online .................................................................. 13

2.5 Evoluția procesului de învățământ online la nivel universitar .................................................. 13

2.6 Metodă de simulare a laboratoarelor din mediul virtual ......................................................... 13

Page 5: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

2

2.7 Conceptul de laborator virtual .................................................................................................. 14

2.8 Utilizarea unui laborator virtual pentru proiectarea instrumentelor de predare ..................... 15

2.8.1 Etapele fundamentale de creare a unui instrument de predare ....................................... 15

2.9 Utilizarea cărților electronice ce stau la baza proiectării instrumentelor didactice online ..... 16

2.10 Volumul actului educațional în diverse domenii ale ingineriei electrice ................................ 17

2.11 Instrumente virtuale realizate pe calculator în scop didactic ................................................. 18

2.12 Sistem de măsurare a tensiunii utilizând instrumente virtuale (VI) ........................................ 18

2.13 Arhitectura unui laborator virtual utilizând modulul OpenModelica. .................................... 19

2.14 Arhitectura unui laborator virtual utilizând sistemul de publicare iLab. ............................... 20

2.19 Utilizarea programului LabVIEW ca instrument virtual ........................................................... 20

2.24 E-learning, învățământul electronic abordat printr-un proces educațional virtual. .............. 21

2.25 Achiziția de date folosind tehnica de instrumentație virtuală LabVIEW ................................. 21

2.26 ntroducerea de instrumente IT în mediile educaționale .................................................... 23

2.27 Desfășurarea unui laborator virtual bazat pe Internet of Things IoT (internetul lucrurilor) .. 25

2.28 Sisteme Digitale de Comunicații. Aplicația Microsoft Teams .................................................. 25

CAPITOLUL 3 ........................................................................................................................................ 26

3 Prezentarea Kit-ului de dezvoltare Arduino UNO, platformei MOODLE și Arhitectura

programului LabVIEW ......................................................................................................................... 26

3.1 Noțiuni de bază Arduino UNO ................................................................................................... 26

3.2 Noțiuni de bază a platformei MOODLE ..................................................................................... 27

3.2.1 Suportul tehnic necesar inițializării platformei MOODLE .................................................. 28

3.3 Noțiuni de bază a programului LabVIEW .................................................................................. 30

3.3.1 Componența de bază a instrumentului virtual .................................................................. 31

CAPITOLUL 4 ........................................................................................................................................ 31

4 LABORATOARE VIRTUALE. ABORDARE PRACTICĂ. ........................................................................... 31

4.1 Monitorizarea virtuală a circuitelor electrice. Obiective propuse: ........................................... 31

4.1.1 Materialele utilizate în cadrul aplicațiilor dezvoltate se împart în două categorii: ........... 32

FIŞĂ DE LUCRU Nr. 1 ........................................................................................................................ 32

FIŞĂ DE LUCRU Nr. 2 ........................................................................................................................ 34

4.2 Acționarea și Controlul unor echipamente electronice prin intermediul instrumentelor

virtuale ............................................................................................................................................ 38

Page 6: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

3

4.3 Aplicație de laborator dezvoltată cu instrumente virtuale pentru acționarea și controlul

circuitelor electrice. ......................................................................................................................... 39

4.3.1 Acționarea și controlul unui motor de curent continuu. ................................................... 40

4.4 Utilizarea laboratoarelor virtuale online în mediul preuniversitar ........................................... 43

Introducere

Prezentarea și motivația temei de cercetare

O bună evoluție s-a remarcat în ultimii ani în domeniul ingineriei electrice, fapt

pentru care și învățământul românesc este asaltat de noile tehnologii. Schimbări majore se

pot vedea în metodele moderne de predare-învățare-evaluare. Nevoia de schimbare se poate

vedea pe toate nivelurile integrării curriculare, de aceea, tema propusă „ APLICAȚII

EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN DOMENIUL

ELECTROTEHNIC ” dezvoltată în cadrul cercetării doctorale sub coordonarea d-nei Prof.

univ. dr. ing. Cristina-Mihaela Schreiner, am urmărit dezvoltarea metodelor interactive de

abordare a laboratoarelor în domeniul ingineriei electrice.

Obiectivele activității de cercetare

La elaborarea studiului cu tema propusă, am avut următoarele obiective:

dezvoltarea bazei materiale ale laboratoarelor de specialitate utilizând

tehnologii noi;

desfășurarea activităților didactice, având aplicații diverse pentru abordarea

temelor astfel încât fiecare elev să se adapteze la sarcinile primite;

implementarea de aplicații interactive pentru elevi, urmărind creșterea

performanțelor acestora;

Pe parcursul cercetării doctorale am dezvoltat instrumente practice pentru

desfășurarea laboratoarelor virtuale online, utilizând echipamente hardware și programe la

Page 7: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

4

prețuri accesibile. Astfel, în studiul nostru am prezentat modele de platforme electronice

pentru a monitoriza și controla diverse circuite electrice.

Organizarea lucrării

În capitolul 1 Metode moderne de predare-învățare-evaluare, am prezentat

aspecte generale ale metodelor utilizate în mediul educațional. Factorii care pot influența

procesul de învățare și care pot crește sau descrește evoluția elevilor. Prezentarea de modele

de învățare bazate pe stiluri de învățare. Am subliniat importanța dezvoltării educației la

distanță. Posibilități de abordare al procesului educațional online, respectiv, interacțiuni între

membrii actului educațional. O prezentare generală a nivelurilor superioare de interacțiuni

ale învățământului pre-universitar și universitar. Concepte ale învățământului E-learning,

tehnologii, standarde și sisteme educaționale.

După cum este intitulat capitolul 2, Stadiul actual al metodelor moderne de

predare-învățare-evaluare al laboratoarelor la distanță, acesta prezintă evoluția

laboratoarelor virtuale în domeniul ingineriei electrice. În acest capitol este prezentat

conceptul de laborator virtual, sisteme de măsură utilizând instrumente virtuale, sisteme

digitalizate în educație, programabile pentru realizarea de simulări în cadrul laboratoarelor

virtuale, o introducere în utilizarea cursurilor online și în final prezentăm învățământul

electronic bazat pe E-learning, desfășurarea unui laborator virtual bazat pe Internet of Things

IoT ( internetul lucrurilor ).

În cadrul capitolului 3, am realizat prezentarea Kit-ului de dezvoltare Arduino UNO,

a platformei MOODLE și arhitectura programului LabVIEW, am făcut o prezentare

generală a acestor programe, unde am relatat rolul și funcțiile de bază a Kit-ului Arduino

UNO, noțiuni introductive ale platformei MOODLE, necesitatea unui suport tehnic pentru

inițierea platformei, exemple de utilizare a platformei, definirea elementelor de bază a unui

curs creat pe platformă și în ultima parte a capitolului trei am prezentat noțiuni de bază a

programului LabVIEW, fiind baza principală a instrumentelor virtuale.

Page 8: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

5

Capitolul 4 intitulat Laboratoare Virtuale. Abordare Practică, descrie partea

funcțională a instrumentelor virtuale, pe care le-am dezvoltat în cadrul acestui studiu de

doctorat. Aceste instrumente realizate au fost create și utilizate pentru:

Acționarea și controlul unor circuite electrice;

Monitorizare de la distanță a circuitelor electrice;

Utilizarea laboratoarelor virtuale în mediul preuniversitar;

Studiul comparativ în utilizarea metodelor clasice și cele moderne.

O astfel de abordare didactică ce cuprinde totalitatea procesului de predare-învățare-

evaluare în mediul preuniversitar, utilizând metode didactice moderne, actualizate, au o

pondere foarte mare de eficacitate în evoluția elevilor.

CAPITOLUL 1

1 Metode moderne de predare- învățare- evaluare

Educația se definește prin cunoștințe teoretice cât și practice dobândite prin

intermediul educatorilor ce urmăresc să mențină anumite standarde de competență,

înțelepciune, pricepere și cunoștințe noi. Scopul general este de a îmbunătății standardele

societății, performanțele obținute prin educație duce la o societate mai bună. Educatorii au

un rol semnificativ în reforma și reconstrucția socială. [Stanciu T., et.al., 2018]

Factorii care pot influența procesul de învățare și care pot crește sau descrește

evoluția elevilor sunt: factori demografici, factori profesioniști, abilități și competențe, nivel

de cunoaștere, factori fiziologici, stare emoțională, stare psihică și altele. [E. Tiron., et.al.,

2019] Acești factori cuprind și caracteristicile psihologice ale elevilor, se pot vedea în figura

nr. 1.1, de mai jos:

Page 9: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

6

Figura nr. 1.1 Factori decizionali ai procesului de învățare.

Caracteristicile specifice sunt abilitățile inductive de raționament, puterea memoriei

de lucru, abilitățile de învățare procedurală, viteza de procesare a informației, învățarea prin

asociere. Din literatura de specialitate se poate vedea cea mai răspândită caracteristică

psihologică a unui elev ca fiind stilul său de învățare. [E. Tiron, et.al., 2011] Acesta poate fi

definită ca pe o caracteristică a comportamentului cognitiv, afectiv și psihologic denumit

indicatorul relativ al modului de percepție a elevului ce interacționează și va răspunde

domeniului de învățare. [C. L. B. Vestena., et.al., 2020]

1.1 Modele de învățare

Încă din anii 1970 sau făcut studii pe stiluri de învățare, dezvoltând mai multe

modele de stiluri de învățare. Acestea împarte elevii în mai multe categorii dat fiind

caracteristicile psihologice ale elevilor, astfel se definesc strategii de predare eficiente pentru

fiecare categorie în parte. [Yan Li, et.al., 2020] Printre multitudinea de modele existente

enumerăm următoarele modele cunoscute: modelul Myers-Briggs, Kolb, Felder-Silverman,

Honey-Mumford și modelul Grasha-Riechman.

1.2 Modalități de interacțiune în procesul educațional online

Cu ajutorul unui web interacțiunea se poate realiza în diverse forme comune, în

figura nr. 1.2 putem vedea mediile de interacțiune utilizate în educația la distanță, iar în

figura nr. 1.3 se demonstrează cum web-ul susține aceste modalități de învățare on-line.

Interacțiunea la rândul ei poate fi delimitată de participanții acesteia, fiind evidențiate trei

Page 10: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

7

forme comune de interacțiune în învățământul la distanță și anume: student-profesor,

student-student și student-conținut. [A. Koscianski., et.al., 2014]

Figura nr. 1.2 Atributele mass-media educaționale.

Figura nr. 1.3 Însumarea mediilor educaționale bazate pe web.

Page 11: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

8

În 2002 Anderson dezvoltă o teorie de echivalență care permite înlocuirea unei forme

de interacțiune cu altă formă, ce se bazează pe anumite costuri și accesibilitate mărită. În

figura nr. 1.4 sunt prezentate șase tipuri de interacțiuni educaționale.

Figura nr. 1.4 Interacțiuni în procesul educațional.

1.3 Bazele învățământului online

Tehnologiile de specialitate asigură eficient și în timp optim transmiterea materialele

didactice, având un suport de programare bine realizat ce susține realizările elevilor. Un

factor important în dezvoltarea mediului on-line de învățare este și strategia de instruire

folosită în materialele didactice. [S. Kavun, et.al., 2012]

1.4 Eficacitatea învățământului online

O bună parte din mediul de afaceri, atât din mediul privat cât și cel de stat utilizează

ca metodă de instruire a cursanților învățarea on-line, fiind o metodă practică și a instituțiilor

de învățământ în care cursanții utilizează internetul în sala de curs dar și de la distanță. [W.

Du, et.al., 2019]

Eficiența care este dată datorită utilizării acestor metode moderne de instruire, care

pleacă de la accesarea materialelor didactice oricând, nefiind o limită a unui program orar

prestabilit. [M. A. Zainal, et.al., 2019]

1.5 Elaborarea suportului didactic pentru învățământul online

Totalitatea materialelor din cadrul unui proces educațional, oricare ar fi acesta, clasic

sau învățământ de la distanță au un rol stimulativ pentru învățare, bazat pe anumite principii

Page 12: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

9

ale învățării în funcție de modul de învățare al elevilor. Un rol important îl au profesorii care

trebuie să elaboreze materialele de învățare după principii adaptate tuturor cursanților, mai

ales în cazul învățământului online, când instructorii și elevi sunt separați. [W. Du, et.al.,

2019]

1.6 Bazele teoriei învățării online

În proiectarea materialelor de învățare pentru elevi, bazate pe teoria conjuctivă, la

elaborarea unor linii directoare având ca scop dezvoltarea materialelor de învățare online

putem ține cont de următoarele aspecte: [B. Chametzky, et.al., 2014] Un volum mare de

informații accesat de elevii; modele de învățare noi și informații bine actualizate; acces la

rețeaua de internet pentru a se conecta cu elevi din întreaga lume; surse multiple de învățare;

1.7 Pregătirea cursanților

În vederea pregătirii cursanților trebuie luate în considerare următoarele etape:

Activități de pre-învățare (prezentarea lecției, posibilități de conectare la

materialele didactice online, importanța lecției studiate, avantajele învățării);

Pașii de urmat pentru a stabili structura curentă, având detaliile lecției abordate;

Imaginea de ansamblu a temei studiate;

Rezultatele elevilor prezentate cu scopul de a oferii o imagine de ansamblu a

lecției studiate;

Autoevaluarea este o metoda de recunoaștere a cunoștințelor și abilităților

elevilor înainte de a aborda o lecție online.

1.8 Activitățile cursanților

Studiul online impune o varietate de activități de învățare astfel încât rezultatul

învățării să răspundă nevoilor individuale pentru a dezvolta anumite abilități prin care să se

obțină un feedback. O prezentare generală a acestor activități este citirea materialelor,

vizualizarea video, studiul individual realizat în biblioteci sau pe internet pentru a obține

informații suplimentare. Partea practică nu trebuie să lipsească, elevii vor adapta metoda de

învățare, astfel încât la finalul lecției parcurse să poată realiza un rezumat al acesteia, urmând

să treacă la un alt nivel superior al învățării. [P. Sooknanan, et.al., 2014]

Page 13: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

10

1.9 Activitățile cursanților

Studiul online impune o varietate de activități de învățare astfel încât rezultatul

învățării să răspundă nevoilor individuale pentru a dezvolta anumite abilități prin care să se

obțină un feedback. O prezentare generală a acestor activități este citirea materialelor,

vizualizarea video, studiul individual realizat în biblioteci sau pe internet pentru a obține

informații suplimentare.

1.10 Învățământul electronic văzut prin tehnologii practice și filozofiile acestora

Sistemele educaționale au un impact direct față de cursanți, profesori și față de toți

participanții actului educațional. Practic există o schimbare foarte mare a modului în care

sunt predate cursurile, de asemenea proiectarea și distribuirea acestora. [C. G. Haba., et.al.,

2011] Studiile efectuate pe baza tehnologiilor de E-learning arată avantajele ce stau la baza

formării educabililor.

1.11 Scopul utilizării tehnologiei în demersul didactic

Exemple de cursuri unde utilizarea tehnologiei este o formă a cunoașterii, a formării

continue a elevilor și de dezvoltare de noi concepte ale învățării, sunt cursurile online. O

vedere de ansamblu a utilizării tehnologiei în mediul educațional este învățarea electronică

conform figuri nr. 1.8, aceasta este mai flexibilă și ușor orientată spre obiectivele elevilor.

Scopul general al utilizării tehnologiei E-learning este de a organiza învățarea astfel încât să

atingă standardele de competențe, pricepere și înțelegere ale elevilor.

Figura 1.8 Tehnologii E-learning

Page 14: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

11

1.12 Tehnologii E-learning standardizate

Realizarea acestor materiale de învățare electronică a avut mereu o importanță

deosebită, deoarece lipsa acestora în domeniul educației este încă resimțită în majoritatea

instituțiilor de învățământ și mai ales în zona cu profil tehnic. Elaborarea acestor materiale

impune anumite standarde precum și viabilitatea conținuturilor ce permit utilizarea lor astfel:

Materiale realizate pe anumite programe sau pe dispozitive cu funcții

complexe ce pot fi distribuite, indiferent de locația utilizatorului;

Divizarea materialelor de învățare pe unități de învățare (obiecte de învățare);

Realizarea sistemelor inteligente de memorare și stocarea informațiilor

disponibile și a obiectelor de învățare;

Crearea unui model de referință de dezvoltare a materialelor de învățare

electronică.

1.13 Arhitectura sistemului de învățare electronică

Dezvoltarea tehnologiilor creează oportunități de îmbunătățire a procesului de

învățământ. O arhitectură reprezentativă al sistemului de învățare electronică E-learning este

prezentată în figura nr. 1.9. Baza funcțională a sistemului cuprinde toate obiectele

generatoare de funcții complexe, specifice domeniului abordat, ce sunt disponibile în mediul

educațional.

Figura nr. 1.9 Reprezentarea arhitecturii sistemului E-learning.

Page 15: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

12

1.14 Mijloace de învățare prin tehnologii E-learning

Pentru această abordare a învățării electronice, bazată pe tehnologiile E-learning sunt

create diferite mijloace de învățare E-learning. Principalele mijloace de învățare utilizate

sunt: mijloc de învățare cu dispunere opțională, predefinit, adaptiv și mijloc de învățare prin

descoperire.

CAPITOLUL 2 2 Stadiul actual al metodelor moderne de predare-învățare-evaluare al

laboratoarelor la distanță

2.1 Metode practice moderne de învățare în laboratoarele școlare

Disponibilitatea metodelor didactice utilizate în mediul preuniversitar a crescut odată

cu abordările ample ale învățământului interactiv. [Hundhausen, C. D, et.al., 2002]

2.2 Desfășurarea procesului de învățământ la distanță

Acest demers reprezintă adevărate provocări atât pentru personalul didactic care

susțin cursuri și laboratoare online, dar și pentru elevi, dintre care se pot enumera: Adaptarea

elevilor cu mediul online, accesarea de la distanță a unui suport didactic, participarea unui

grup cât mai mare de utilizatori online, comunicarea profesor-elev și elev-profesor într-un

timp util. [Ben-Bassat Levy, et.al., 2003]

2.3 Dezvoltarea de instrumente virtuale

Utilizarea instrumentelor virtuale, pentru diferite sisteme hardware a condus la

realizări în timp record a activităților de laborator. În anul 1984 s-au pus bazele primului

instrument virtual pentru a executa diverse aplicații pe calculator. În figura nr. 2.1 este

prezentat controlul unui circuit cu LED-uri, de pe un calculator.

Page 16: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

13

Figura nr. 2.1 Instrument virtual pentru controlul unui circuit electric asistat de pe un

calculator.[C. Donose, 2017]

2.4 Procesul de transmitere a datelor în mediul online

Comunicarea și transmiterea de date în mediul online a crescut foarte mult odată cu

dezvoltarea tehnologiei de programare. [J. D. WILLIAM, 1990]

2.5 Evoluția procesului de învățământ online la nivel universitar

În 1991 procesul de învățare al studenților universități tehnice din Tennerss (UTK)

este îmbunătățit prin dotarea laboratoarelor cu calculatoare MACINTOSH. Calculatorul

MACINSTOSH are funcții transparente, ușor de utilizat, fiind un dispozitiv eficient pentru

citire și control în mediul virtual. În anul 1995 modelul MACINSTOSH are o configurare

(Power PC 603 CPU; 500MB-1 GB Hard Drive; System 7.0), un model este prezentat în

figura nr. 2.3:

Figura nr. 2.3 Calculatorul Macintosh Performa. Imagine preluată de pe

[https://www.computerworld.com/article/3025619/the-evolution-of-the-

macintosh.html#slide3].

2.6 Metodă de simulare a laboratoarelor din mediul virtual

Conceptul VEL se dezvoltă în cadrul laboratoarelor denumite (laboratorul artificial),

unde pe baza unui program matematic, static și grafic ar putea utiliza bazele de date,

utilizând tehnologia informației, pentru a obține un mediu prietenos pentru cercetarea

științifică. Sau pus bazele proiectării și implementării componentei de modelare și simularea

a laboratoarelor VEL pentru profesori, dar și pentru elevi. 24.[Nolen, 2018]

Page 17: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

14

Figura nr. 2.4 Cadrul structural al laboratorului VEL. Preluată din [GERALD L. HADEN et.

al., 1992]

Pentru crearea obiectelor de învățare este dezvoltat un instrument cu o interfață

simplă a structurii de bază pentru fiecare clasă și un instrument de simulare a ansamblurilor

obiectelor educaționale, având un model de funcționare a simulărilor.

2.7 Conceptul de laborator virtual

Cele mai importante instrumente utilizate în mediul virtual prin care sunt dezvoltate

laboratoarele pentru prelucrarea semnalelor, sistemelor de comunicații și control sunt

prezentate în figura nr.2.5. Acest laborator virtual este echipat cu programul MATLAB

Mathworks, LabVIEW, instrumente simulare și Microsoft Windows. [S. E. August, et.al.,

2016]. Aceste instrumente de bază oferă studenților un avantaj, capacitatea de a discretiza

semnalele analogice, de a efectua simularea, analiza pe calculator și redarea rezultatelor.

Este esențial ca studenții să poată vadea relația dintre semnalele "reale", precum și formulele

matematice învățate în clasă. [Cristian Győző Haba, et.al., 2011]

Page 18: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

15

Figura nr. 2.5 Laboratorul virtual. Specificații tehnice cu dotarea calculatoarelor.

[VIRGINIA L. STONICK, 1993]

2.8 Utilizarea unui laborator virtual pentru proiectarea instrumentelor de

predare

Philip Barker, în anul 1994, definește termenul de ”instrument” ca fiind un

instrument electronic de predare. Acesta având un rol important, fiind considerat un

dispozitiv prin intermediul căruia seturile de intrări le transformă în seturi de ieșiri, date ce

pot fi stocate pe diverse dispozitive și utilizate ulterior în cercetare. [T. Ahoniemi, et.al.,

2007]

2.8.1 Etapele fundamentale de creare a unui instrument de predare

Dezvoltarea unui instrument de predare poate să fie dezvoltat în patru etape: [Cristian

Fosalau, et.al., 2019]

Proiectarea unui control al instrumentului;

Crearea de metode de colectarea a datelor;

Realizarea circuitelor corespunzătoare;

Proiectarea bazei de control al instrumentului electronic de predare. Un model de

instrument este prezentat în figura nr. 2.6:

Page 19: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

16

Figura nr. 2.6 Panoul frontal al instrumentului virtual.[C. Donose, 2017]

2.9 Utilizarea cărților electronice ce stau la baza proiectării instrumentelor

didactice online

Un alt tip de “carte electronică”, este cea bazată pe tehnicile realității virtuale, acesta

a pus bazele proiectării instrumentelor didactice și a unui laborator virtual. Integrarea unui

laborator virtual se poate realiza prin intermediul unui program, cum ar fi LabVIEW, acesta

poate rula pe mai multe aplicații, prin intermediul unui VI (instrument virtual) ca în figura

nr. 2.7, ce poate monitoriza un experiment real din cadrul laboratoarelor clasice, iar datele

colectate sunt distribuite pe stațiile utilizatorilor, astfel se realizează mediul interactiv de

învățare al elevilor.

Page 20: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

17

Figura nr. 2.7 Panoul frontal al unui instrument virtual.

S-a observat o interacțiune om-calculator ușor de abordat prin intermediul sub-

sistemelor ce alcătuiesc mediul de învățare. Aceste instrumente didactice pot realiza produse

de formare portabile, care pot fi utilizate și în alte locații decât cele în care au fost create.

[Cristian Győző Haba, et.al., 2011]

Termenul de “carte electronică” și “laborator virtual”, au fost denumite astfel pentru

a fi mai ușor de înțeles pentru elevi, dezvoltând astfel o învățare interactivă, fără ca elevii să

mai folosească laboratorul convențional [PHILIP BARKER et.al., 1994].

2.10 Volumul actului educațional în diverse domenii ale ingineriei electrice

Dimensiunea unui proces educațional, atât în învățământul preuniversitar cât și cel

universitar este mereu în creștere atunci când se urmărește un anumit scop în diverse

domenii. Introducerea simulărilor în procesul educațional nu este deloc ușor, de aceea pentru

a simplifica procesul de simulare în cadrul unui laborator pentru prezentarea caracteristicilor

de funcționare a unor semiconductoare (diode, tranzistori, condensatori) sa apelat la

programul CAESAR, care are o interfață prietenoasă, transparentă și ușor de utilizat. [A.

Asenov, C.R. Stanley, et.al., 1995]

Page 21: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

18

2.11 Instrumente virtuale realizate pe calculator în scop didactic

Daniel J. Maguire în anul 1995, folosește limbajul de programare LabVIEW pentru

crearea de instrumente de control al funcționării componentelor analogice. Acesta propune

utilizarea unui sistem de înregistrare denumit ca “Registrator grafic” de date pentru formele

de undă, diverse analize ale semnalelor generate de componentele electronice analogice ale

aplicațiilor practice educaționale. Datele obținute prin intermediul VI-ului la rândul lor pot fi

stocate digital spre o analiză directă prin intermediul mediului MATLAB. [B. Erdera, et.al.,

2010]. O prezentare generală de ansamblu a unui astfel de sistem de control unde sunt

utilizate instrumente virtuale putem vedea în figura nr. 2.8:

Figura nr. 2.8 Exemplu de instrumentul virtual (VI) și aplicația practică de laboratorul

real.[C. Donose, 2017]

2.12 Sistem de măsurare a tensiunii utilizând instrumente virtuale (VI)

Pentru a monitoriza variațiile tensiunii electrice din sistemul de alimentare general,

dezvoltarea unui instrument virtual utilizând programul LabVIEW simplifică considerabil

procesul de măsurare. [I. Gustavsson, et.al., 2009] Structura hardware și diagrama bloc a

instrumentului virtual este prezentat în figura nr. 2.9:

Page 22: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

19

Figura nr. 2.9 Structura simplificată a sistemului. Structură preluată din [Ming-Tang Chen,

et.al., 2010].

Cu ajutorul instrumentului virtual se pot face măsurarea și analiza tensiunii, în figura

nr. 2.10 este prezentat un exemplu de panou frontal al instrumentului virtual. [Ming-Tang

Chen, et.al., 2010].

Figura nr. 2.10 Monitorizarea tensiunii variabile în timp. [C. Donose, 2017]

2.13 Arhitectura unui laborator virtual utilizând modulul OpenModelica.

O arhitectură a unui laborator virtual poate fi dezvoltată cu ajutorul *Modulului

(OpenModelica)*. Cu acest modul se poate modela și simula aplicații pentru mediul

industrial dar și în mediul academic. Interfața grafică este prezentată în figura nr. 2.12.

Page 23: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

20

Figura nr. 2. 12 Interfața grafică a modulului OpenModelica.

[https://openmodelica.org/images/M_images/screenshot1.jpg]

2.14 Arhitectura unui laborator virtual utilizând sistemul de publicare iLab.

O metodă utilizată des pentru dezvoltarea laboratoarelor online este *sistemul de

publicare iLab*. Aceste interfețe iLab sunt construite folosind diverse plug-in-uri de la terți,

fiind o aplicație web, este indicată folosirea tehnicilor standard de programare frontală.

Scopul utilizării acestor echipamente este de a dezvolta experimente de laborator la distanță.

Figura nr. 2.13 prezintă echipamentul Web ME3200:

Figura nr. 2.13 a) Echipament Web ME3200 pentru măsurători Agilent; b) Placa de bază

ME3200. Preluată din [D. Ursutiu, D. Iordache et. al., 2012].

2.19 Utilizarea programului LabVIEW ca instrument virtual

Implementarea experimentală a instrumentelor virtuale dezvoltate în laboratoarele de

electronică contribuie la o bună evoluție a elevilor prin combinarea teoriei cu activitatea

practică de laborator. Această caracteristică este utilă pentru elevii care au acces la internet,

Page 24: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

21

implementând astfel învățământul la distanță. Avantajele programului LabVIEW sunt: viteza

de compilare, flexibil, ușor de învățat, instrumentele utilizate sunt atât didactice cât și

industriale. [C. Donose, 2018] În figura nr. 2.14 este prezentată schema bloc a sistemului

[Dr. S. Chatterji, S.L. Shimi et. al., 2013].

Figura nr. 2.14 Diagrama bloc a sistemului. [Dr. S. Chatterji, S.L. Shimi et. al., 2013]

2.24 E-learning, învățământul electronic abordat printr-un proces educațional

virtual.

Învățământul clasic având strategii fixe, evoluția acestuia este destul de lentă

comparativ cu învățământul electronic, deoarece acesta se poate realiza fără a se impune o

unitate de timp, spațiu, costuri suplimentare, având posibilitatea de abordare a unui volum

impresionant de informații într-un timp relativ scurt, toate acestea fiind posibile având și o

conexiune la internet. [Zhangsheng L., et.al., 2018]

2.25 Achiziția de date folosind tehnica de instrumentație virtuală LabVIEW

Metoda de estimare a parametrilor circuitului echivalent de pe un motor trifazat

utilizând tehnica de instrumentație virtuală LabVIEW s-a dovedit satisfăcătoare în urma

procesului de verificare cu instrumente clasice (voltmetrul, ampermetrul și wattmetrul). [Z.

Nedic, et.al., 2003] Un exemplu de instrument virtual dezvoltat pentru monitorizarea

parametrilor funcționali a unui motor trifazat este prezentat în figura nr. 2.17:

Page 25: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

22

Figura nr. 2.17 Instrument virtual pentru monitorizarea funcționării motorului trifazat.

Preluat din [K. Priya Ganesh, D. Mary A et.al., 2016].

De exemplu cu ajutorul modulelor NI 9225 și NI 9227 se poate măsura puterea

electrică. Figura nr. 2.18 prezintă modelul NI-9227 și NI-9225:

a) Modul de măsurare a curentului.

Page 26: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

23

b) Modul de măsurare a tensiunii.

Figura nr. 2.18, a) / b). Module de achiziție NI (National Instruments). Preluat din

[https://www.ni.com/ro-ro/shop/select/c-series-voltage-input-module?modelId=122177],

[https://www.ni.com/ro-ro/shop/select/c-series-current-input-module?modelId=122179].

Avantajele utilizării modulelor LabVIEW constă în posibilitățile multiple de

extindere a dezvoltării grafice pentru a crea măsurări personalizate și de a avea un control

asupra părții hardware.[ K. Priya Ganesh, D. Mary A et.al., 2016]

2.26 Introducerea de instrumente IT în mediile educaționale

Una dintre cele mai utilizate platforme de E-learning este Moodle (Modular Object-

Oriented Dynamic Learning Environment), unde învățarea este desfășurată pe mai multe

module, având licența gratuită de tip Open Source (Sursă deschisă pentru dezvoltare) sau

Free and Open SourceSoftware (FLOSS), cu mai multe sisteme de învățare, amintim câteva

dintre acestea [D.Herlo et. al., 2015]: sistem de management al cursurilor de tip Curs

Management System (CMS), sistem de managementul învățării de tip Learning Management

System (LMS), sistem de învățare și gestionare a conținutului de tip Learning and Content

Management System (LCMS) și sistem de învățare pe mobil de tip Mobile Learning

Environment (MLE).

Metodologia și practica învățării electronice care a adus o evoluție foarte bună a

elevilor și studenților este prezentată în tabelul nr. 2.1:

Page 27: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

24

Tabel nr. 2.1 Componente de învățare electronică. Preluat din [D.Herlo et. al., 2015].

Din studiul realizat pe platforma MOODLE poate fi considerat un bun furnizor de

educație online, o imagine de ansamblu a unui astfel de sistem este prezentat în figura nr.

2.18 [A. Ghosh, A. Nafalski et. al., 2019].

Figura nr. 2.19 Mediul de învățare electronică. Preluat din [A. Ghosh, A. Nafalski et. al.,

2019].

Page 28: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

25

2.27 Desfășurarea unui laborator virtual bazat pe Internet of Things IoT

(internetul lucrurilor)

La baza dezvoltării acestui laborator, denumit și “laboratorul inteligent”, este

concepută și platforma prin care se face legătura, respectiv conectivitatea, precum și

controlul dispozitivelor de la distanță prin intermediul rețelelor de internet. Aceste sisteme

inteligente de laborator pot fi utilizate în multe aplicații din domeniul ingineriei electrice, de

exemplu pentru monitorizarea consumului de energie electrice și a parametrilor funcționali

al echipamentelor de laborator, dezvoltând astfel dispozitive inteligente bazate pe Internet of

Things (IoT). Avantajul este integrarea ESP8266 cu diverși senzori și alte dispozitive ale

aplicațiilor integrate în laborator cum ar fi ANDROID STUDIO Mobile.

Figura nr. 2.20 Modul ESP8266 CU REȚEA Wi-Fi.

[https://en.wikipedia.org/wiki/ESP8266]

2.28 Sisteme Digitale de Comunicații. Aplicația Microsoft Teams

Microsoft Teams reprezintă o multiplatformă ce poate rula pe sisteme de operare de

tip Windows 32/64 de biți, Linux pe 64 de biți, MacOS, CentOS, Debian, Ubuntu și pe

diverse device-uri mobile precum Android și iOS. Aplicația se poate descărca de pe:

https://teams.microsoft.com .Instalarea aplicației se face identic oricare este metoda aleasă.

Page 29: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

26

Figura nr. 2.21 Logare în aplicația Microsoft Teams.

CAPITOLUL 3 3 Prezentarea Kit-ului de dezvoltare Arduino UNO, platformei MOODLE și

Arhitectura programului LabVIEW

Arduino UNO

MOODLE

LabVIEW

3.1 Noțiuni de bază Arduino UNO

Interfața Arduino UNO este o platformă de tip open-source ușor de utilizat. Aceasta

poate să dezvolte diverse proiecte pentru o comunicare interactivă cu unul sau mai multe

echipamente electronice. [J. Boxall, et.al., 2013] Începând cu anul 2005 s-a remarcat o

creștere mare a utilizării și integrării acesteia în multiple sisteme de monitorizare și control

programabile. O prezentare a Kit-ului se poate vedea în figura nr. 3.1: [A. Soriano, et.al.,

2013]

Page 30: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

27

Figura nr. 3.1 Prezentare Kit-ului Arduino UNO

[https://www.arrow.com/en/products/a000073/arduino-corporation]

Pentru a programa Arduino Uno avem nevoie de un calculator cu un sistem de

operare compatibil cu placa Arduino Uno și un cablu USB pentru conexiunea plăcii cu portul

serial al calculatorului utilizat. [J. Busquets, et.al., 2012] Instalarea driver-ului, respectiv

configurarea plăcii se face cu ajutorul unui browser web, accesând

[https://blog.arduino.cc/2017/11/03/linux-support-comes-to-arduino-create/], o imagine de

ansamblu este prezentată în figura nr. 3.2:

Figura nr. 3.2 Instalarea driver-ului, a Kit-ului Arduino Uno

[https://blog.arduino.cc/2017/11/03/linux-support-comes-to-arduino-create/]

3.2 Noțiuni de bază a platformei MOODLE

O evoluție foarte bună a proceselor educaționale a fost remarcată odată cu utilizarea

elementelor IT, dezvoltând cu acestea platforme de E-learning în mediul educațional online.

Page 31: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

28

3.2.1 Suportul tehnic necesar inițializării platformei MOODLE

Fiind o platformă online destul de complexă, aplicația MOODLE necesită utilizarea

unor tehnologii web, precum: Javascript, CSS, HTML, PHP, AJAX și un sistem de

gestionare a informațiilor într-o bază de date ce utilizează ca limbaj sistemul MySQL. Partea

hardware poate să conțină performanțe minimale: 512 MB memorie RAM, 320 MB spațiu

de stocare.

Figura nr. 3.4 Accesarea platformei MOODLE [http://www.moodle.ro]

Pentru introducerea unui curs în platforma realizată, administratorul creează un cont

de profesor, care va gestiona cursurile dedicate elevilor/studenților. Pentru crearea unui curs

trebuie parcurși următorii pași așa cum este prezentat în figura nr. 3.5: Tablou de

bord/Administrarea site-ului/ Cursuri/ Gestionați cursurile și categoriile/ Adăugați un nou curs.

Figura nr. 3.5 Lansarea unui curs pe platforma MOODLE [http://www.moodle.ro]

Page 32: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

29

La realizarea unui curs pe platforma MOODLE sunt necesare introducerea de date

informative ce stau la baza instaurării cursului, conform figuri nr. 3.5. În figura nr. 3.6 este

prezentat un exemplu de curs editat și încărcat pe platforma MOODLE:

Figura nr. 3.6 Cursul de Circuite Electrice dezvoltat pe platforma MOODLE.

[http://www.moodle.ro]

La crearea unui curs pe platformă, utilizatorul trebuie să aibă accesul dat de

administratorul site-ului. Modelul de curs prezentat este afișat în figura nr. 3.7:

Figura nr. 3.7 Identificarea cursului după denumirea cursului pe platforma MOODLE.

[http://www.moodle.ro]

Page 33: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

30

Interfața cursului este editată direct pe pagina principală a platformei MOODLE. În

figura nr. 3.9 este prezentat un exemplu de profil al unor utilizatori înregistrați pe platformă.

Figura nr. 3.9 Utilizatorii MOODLE. [http://www.moodle.ro]

3.3 Noțiuni de bază a programului LabVIEW

Programul LabVIEW, produs de firma National Instruments, este un mediul de

programare utilizat la realizarea instrumentelor virtuale. Instrumentele virtuale reprezintă un

concept ce a fost introdus de mai bine de 30 de ani, cu scopul de a utiliza calculatorul pentru

a realiza anumite instrumente de măsură și control din domeniul electrotehnic. În figura nr.

3.12 sunt prezentate elementele de bază ale mediului de programare LabVIEW. [C. Foşalău,

2010]

Page 34: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

31

Figura nr. 3.12 Mediul de programare LabVIEW [https://cds.cern.ch/record/2128403].

3.3.1 Componența de bază a instrumentului virtual

Un model de bază a unui instrument virtual este prezentat în figura nr. 3.13. Cu

ajutorul plăcilor de achiziție se realizează conversia mărimilor recepționate de la senzori în

semnale electrice.

Figura nr. 3.13 Modelul de bază a instrumentului virtual

CAPITOLUL 4 4 LABORATOARE VIRTUALE. ABORDARE PRACTICĂ.

4.1 Monitorizarea virtuală a circuitelor electrice. Obiective propuse:

Utilizarea instrumentelor virtuale în laboratoarele de specialitate;

Monitorizarea unor circuite electrice:

măsurarea tensiunii electrice dintr-un circuit electric;

măsurarea curentului de pe un circuit electric;

măsurarea rezistenței ohmice a circuitului electric.

Studiul comparativ în utilizarea metodele clasice și cele moderne în aplicațiile

laboratoarelor de electrotehnică.

Page 35: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

32

4.1.1 Materialele utilizate în cadrul aplicațiilor dezvoltate se împart în două

categorii:

4.1.1.1 Partea de implementare hardware.

Etapa de dezvoltare a circuitelor electrice în laboratorul de electrotehnică, unde

echipamentele convenționale au un rol important la realizarea de măsurări, cum ar fi:

voltmetrul, ampermetrul, surse de curent continuu, etc. O prezentare generală a aplicațiilor

fizice de laborator sunt date în figura nr. 4.1 și 4.2 :

Figura nr. 4.1 Măsurarea tensiunii, curentul continuu și a rezistenței ohmice cu aparate de

măsură convenționale. [C. Donose, 2017]

Figura nr. 4.2 Circuite electrice dezvoltate în laboratorul de electrotehnică. [C. Donose,

2018]

Elaborarea sarcinile necesare dezvoltării propriu zise ale aplicațiilor de laborator, au

ca temă: Măsurarea rezistenței electrice a unui circuit electric, cu ajutorul ampermetrului şi

al voltmetrului în montaj AVAL, la gruparea în serie.

FIŞĂ DE LUCRU Nr. 1

Page 36: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

33

Măsurarea rezistenței electrice, a unui circuit electric, cu ajutorul

ampermetrului și al voltmetrului în montaj AVAL, la gruparea în serie.

A. Prezentarea montajului

Figura nr. 4.3: Schema montajului

Figura nr. 4.4: Placa de probă

Tabel de valori nr. 4.1

B. Sarcini de lucru ale elevului:

1) Citește valorile rezistoarelor marcate direct, ce se regăsesc în schema montajului din

figura nr. 4.3.

Notează valorile lor în primul rând din tabel.

2) Pregătește placa de probă, montează rezistoarele pe aceasta, conform figura nr. 4.4 şi

execută conexiunile dintre rezistoare conform figura nr. 4.3.

Valorile Rezistoarelor R1……. R2……. R3…….

Tensiunea U (V)

Curentul I (mA)

Rezistența echivalentă calculată (Ω) Res

Valoarea Res măsurată (Ω)

Page 37: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

34

3) Alimentați circuitul realizat cu o tensiune de alimentare de 5 V. Măsurați tensiunea U

(V), respectiv curentul I (mA), pentru: R1, R2, R3.

Notează valorile lor în al doilea şi în al treilea rând din tabel.

4) Determinați valorile rezistoarelor, pentru:

- R1 (cu o tensiune de alimentare de 5 V)

- R2 (cu o tensiune de alimentare de 5 V)

- R3 (cu o tensiune de alimentare de 5 V), folosind formula : R = I

U.

5) Calculați Res(rezistența echivalentă serie), a circuitului electric, folosind formula :

Res = R1 + R2 + R3

Notează valoarea calculată în al patrulea rând din tabel.

6) Măsurați cu ajutorul unui multimetru digital, Res (rezistența echivalentă serie).

Notează valoarea măsurată în al cincilea rând din tabel.

FIŞĂ DE LUCRU Nr. 2

Măsurarea rezistenței electrice, a unui circuit electric, cu ajutorul ampermetrului şi al

voltmetrului în montaj AMONTE, la gruparea în paralel.

A. Prezentarea montajului

Figura nr. 4.5 Schema montajului

Figura nr. 4.6: Placa de probă

Tabel de valori nr. 4.2

Page 38: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

35

B. Sarcini de lucru ale elevului:

1) Citește valorile rezistoarelor marcate direct, ce se regăsesc în schema montajului din

figuri nr. 4.5.

Notează valorile lor în primul rând din tabel.

2) Pregătește placa de probă, montează rezistoarele pe aceasta, conform figura nr. 4.6 şi

execută conexiunile dintre rezistoare conform figuri nr. 4.5.

3) Alimentați circuitul realizat cu o tensiune de alimentare de 5V. Măsurați tensiunea U

(V), respectiv curentul I (mA), pentru: R1, R2, R3.

Notează valorile lor în al doilea și în al treilea rând din tabel.

4) Determinați valorile rezistoarelor, pentru:

- R1 (cu o tensiune de alimentare de 5 V)

- R2 (cu o tensiune de alimentare de 5 V)

- R3 (cu o tensiune de alimentare de 5 V), folosind formula :

R = I

U.

5) Calculați Rep (rezistența echivalentă paralelă), a circuitului electric, folosind formula

:

Rep = 21

21*

RR

RR

Notează valoarea calculată în al patrulea rând din tabel.

6) Măsurați cu ajutorul unui multimetru digital, Rep (rezistența echivalentă paralelă).

Notează valoarea măsurată în al cincilea rând din tabel.

4.1.1.2 Partea de dezvoltare a programului LabVIEW.

Lucrările de laborator pot fi concepute atât cu instrumente virtuale, cât și în

ansamblurile pe panourile de testare elaborate sub coordonarea cadrelor didactice. Pentru

Valorile Rezistoarelor R1……. R2……. R3…….

Tensiunea U (V)

Curentul I (mA)

Rezistența echivalentă calculată (Ω) Rep

Valoarea Rep măsurată (Ω)

Page 39: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

36

comunicarea dintre mediul virtual și cel fizic, am utilizat kit-ul Arduino-UNO pentru a

permite achiziționarea de date într-un calculator portabil, care poate fi controlat de

instrumentul virtual. [C. Donose, 2018]

Prin intermediul programului LabVIEW am construit un instrument virtual ce ne

permite realizarea a mai multor măsurări în timp real direct de pe circuitul electric (tensiune,

curent continuu și rezistența ohmică a circuitului), prezentat în figura nr. 4.7:

Figura nr. 4.7 Instrument virtual realizat în programul LabVIEW. [C. Donose, 2017]

Circuitele electrice de pe care sau realizat măsurările au fost concepute pe plăci de

test, acest lucru fiind evidențiat în figura nr. 4.8:

Figura nr. 4.8 Circuite electrice măsurate. [C. Donose, 2017]

Comunicarea dintre circuitele electrice de pe care sau făcut măsurările și instrumentul

virtual realizat, s-a realizat prin intermediul unei placi de achiziții de date Arduino UNO,

acest lucru putându-se observa în figura nr. 4.9:

Page 40: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

37

Figura nr. 4.9 Placa de achiziții de date”Arduino UNO”. [C. Donose, 2017]

Reprezentarea rezultatelor a fost posibilă prin intermediul unui panou frontal,

aparținând instrumentului virtual, conform figuri nr. 4.10:

Panoul frontal reprezintă partea de comandă și control al instrumentului virtual.

Figura nr. 4.10 Panou frontal al instrumentului virtual. [C. Donose, 2018]

Cu ajutorul instrumentelor virtuale s-a realizat supravegherea circuitelor electrice, cât

și calcularea valorilor de referință precum și reprezentarea grafică a mărimilor măsurate. În

comparație cu metodele clasice de măsurare, instrumentele virtuale conferă utilizarea unui

număr redus de echipamente, la costuri minime.

Această metodă este aplicată în mai multe centre de cercetare cât și în învățământul

preuniversitar și universitar. Scopul metodei utilizate este de a implementa noi laboratoare

virtuale pentru mediul universitar/preuniversitar. [C. Donose, 2017]

Page 41: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

38

4.2 Acționarea și Controlul unor echipamente electronice prin intermediul

instrumentelor virtuale

Lucrarea tratează două instrumente virtuale utilizate pentru acționarea și controlul

circuitelor electrice. Datorită conceptului lor de lucru, aceste instrumente au o flexibilitate

ridicată, ceea ce face dezvoltarea laboratoarelor virtuale de electrotehnică ca resurse

hardware și de programare foarte accesibile. Pentru această cercetare am folosit o aplicație

de programare LabVIEW, iar pentru achiziția de date, în special, am folosit kit-ul Arduino

UNO, care leagă partea fizică de laborator de mediu instrumentației virtuale.

O prezentare generală a instrumentelor convenționale utilizate în laboratoarele de

electrotehnică se pot vedea în figura nr. 4.11 :

Figura nr. 4.11 Echipamente convenționale necesare dezvoltării unor laboratoare de

electrotehnică. [C. Donose, 2018]

Echipamentul necesar pentru realizarea ansamblurilor din această lucrare este: o sursă

de alimentare, un multimetru care poate afișa valoarea tensiunii și a curentului absorbit de

circuitele electronice, precum și rezistențele ohmice și un osciloscop pentru colectarea

semnalelor. Aceste echipamente sunt de un real folos, dar au și unele dezavantaje: datele

obținute în aceste aplicații nu se pot afișa simultan pentru a avea o imagine de ansamblu a

evoluției domeniului studiat; s-a observat că laboratoarele de electrotehnică convenționale au

nevoie de spațiu pentru efectuarea măsurărilor și un număr destul de mare de echipamente

pentru realizarea aplicațiilor; aceste echipamente achiziționate se ridică la costuri greu

accesibile.

Page 42: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

39

4.3 Aplicație de laborator dezvoltată cu instrumente virtuale pentru acționarea

și controlul circuitelor electrice.

Am dezvoltat un instrument virtual pentru acționarea și controlul circuitelor electrice,

susținut și prin Kit-ul Arduino UNO. Figura nr. 4.13 prezintă schema bloc a unui circuit

electric cu 5 LED-uri.

Figura nr. 4.13 Diagrama bloc a instrumentului virtual realizat în programul LabVIEW. [C.

Donose, 2018]

În figura nr. 4.14 este prezentat un exemplu de interfață de control a instrumentului

virtual.

Figura nr. 4.14 Panoul de control al instrumentului virtual. [C. Donose, 2017]

Page 43: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

40

4.3.1 Acționarea și controlul unui motor de curent continuu.

Având ca scop controlul motorului de curent continuu, în figura nr. 4.15 este

prezentată schema bloc realizată în mediul virtual. Acest echipament ne ajută să avem un

control direct al motorul.

Figura nr. 4.15 Diagrama de legături a instrumentului virtual realizat în programul LabVIEW

pentru acționarea și controlul motorului. [C. Donose, 2017]

Figura nr. 4.16 prezintă schema bloc de funcționare a instrumentului virtual pentru

controlul unui motor, unde placa „Arduino UNO” este compatibilă cu programul LabVIEW

pentru achiziția de date. Acest echipament face posibil controlul direct al motorului.

Figura nr. 4.16 Schema blocului de lucru a instrumentului virtual realizat. [C. Donose,

2017]

Page 44: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

41

Sistemul este acționat prin panoul de control al instrumentului, așa cum se arată în

figura nr. 4.17.

Figura nr. 4.17 Panoul de control al instrumentului virtual pentru acționarea motorului. [C.

Donose, 2018]

4.3.1.1 Prezentarea circuitelor electrice în care sau utilizat instrumente virtuale

pentru acționarea și controlul acestora.

Circuit electric cu LED-uri dezvoltat în laboratorul de electrotehnică, controlat și

acționat prin intermediul instrumentelor virtuale care este prezentat în figura nr. 4.18:

Figura nr. 4.18 prezintă placa de achiziții de date Arduino UNO și un circuit electric cu 5

LED-uri, acționat prin instrumentul virtual. [C. Donose, 2017]

Page 45: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

42

Schema blocului funcțional a circuitului cu LED-uri este prezentată în figura nr.4.19:

Figura nr. 4.19 Schema blocului pentru comanda LED-urilor folosind instrumentul virtual

dezvoltat în programul LabVIEW. [C. Donose, 2017]

Acționarea unui motor de curent continuu a fost realizată prin modificarea unghiului

de defazaj al acestuia, direct de pe panoul frontal al instrumentului virtual, rezultatul obținut

se poate observa în figura nr. 4.20.

Figura nr. 4.20 Acționarea motorului. [C. Donose, 2017]

Procesul de acționare și control al motorului este prezentat în schema bloc din Figura

nr. 4.21.

Page 46: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

43

Figura nr. 4.21 Schema bloc de acționare a motorului. [C. Donose, 2017]

Aceste instrumente virtuale prin care au fost acționate și controlate două circuite

electrice sunt de asemenea utilizate printr-o aplicație a programului LabVIEW, instalată pe

un computer portabil și o placă de achiziție de date. Cercetările au demonstrat că

instrumentele virtuale sunt eficiente.

4.4 Utilizarea laboratoarelor virtuale online în mediul preuniversitar

Conceptul de E-learning este caracterizat ca un tip de învățământ la distanță. Actul

educațional se realizează prin noile tehnologii de informare și comunicare, în special prin

intermediul internetului. Internetul este cel mai bun mediu pentru distribuirea materialelor

didactice (predare-învățare-evaluare). [C. Donose, 2018]

Aceste metode contribuie la confortul utilizatorilor în dezvoltarea noilor principii de

proiectare a laboratorului în mediul online în învățământul universitar/preuniversitar.

Întregul ansamblu realizat se poate vizualiza în figura nr. 4.22

Page 47: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

44

Figura nr. 4.22 Ansamblul de instrumente utilizate în laborator. [C. Donose, 2017]

Kit-ul Arduino UNO ales este destinat pentru dezvoltarea hardware, pe care îl

utilizăm la compilarea și programarea sistemelor propuse în cadrul laboratoarelor de

electrotehnică. În figura nr. 4.23 este prezentată partea de programare a sistemului de

acționare a circuitelor cu LED-uri, prin acționarea butoanelor ce alimentează fiecare circuit

de LED-uri în parte.

Figura nr. 4.23 Interfața cu utilizatorul a Kit-ului Arduino UNO pentru programarea

butoanelor ce alimentează circuitele cu LED-uri. [C. Donose, 2017]

Pentru conversia analog/numerică placa de achiziții Arduino UNO în prima fază va

realiza inițializarea convertorului, urmată de inițializarea portului serial prin care se transmit

Page 48: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

45

datele obținute. În continuare se analizează parametrii funcționali a circuitului studiat,

întregul proces se poate vizualiza în figura nr. 4.24.

Figura nr. 4.24 Schema bloc de funcționare a Kit-ului Arduino UNO. [C. Donose, 2017]

Sistemul realizat și studiat, prezentat în figura nr. 4.25, conține trei circuite

electronice cu LED-uri, acționate individual prin intermediul unor butoane. Informațiile

culese de pe circuitele electronice montate pe placa de test sunt transmise prin intermediul

plăcii de achiziții de date către un computer portabil.

Page 49: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

46

Figura nr. 4.25. Schema hardware a circuitelor cu trei butoane. [C. Donose, 2017]

În figura nr. 4.26 sunt reprezentate cele trei cazuri de acționare a circuitelor realizate

în laboratorul de electrotehnică (acționarea unui singur circuit ”a”, acționarea simultană a

două circuite “b” și respectiv acționarea celor trei circuite “c”, de pe placa de test.

Figura nr. 4.26 . Cazuri de acționare a circuitelor cu LED-uri. [C. Donose, 2018]

Cele trei cazuri studiate (acționarea unui singur circuit, a două circuite și respectiv a

trei circuite), sunt reprezentate în figura nr. 4.27, figura nr. 4.28, respectiv figura nr. 4.29.

Page 50: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

47

Figura nr. 4.27 Panoul frontal al instrumentului virtual care acționează un circuit electric. [C.

Donose, 2018]

Figura nr. 4.28 Panoul frontal al instrumentului virtual care acționează două circuite

electrice. [C. Donose, 2018]

Page 51: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

48

Figura nr. 4.29 Panoul frontal al instrumentului virtual care acționează trei circuite electrice.

[C. Donose, 2018]

Modul de desfășurare a laboratoarelor virtuale online este posibil prin crearea unei

adrese URL, generată direct din programul LabVIEW, ce face trimitere către utilizatori. În

cazul nostru elevii pot elabora, desfășura orele de laborator de la distanță, accesând panoul

frontal al Laboratorului nr.1 de Circuite Electrice ( figura nr. 4.30 ).

Figura nr. 4.30 Reprezentarea unui laborator pentru monitorizarea circuitelor electrice în

mediul virtual. [C. Donose, 2018]

Page 52: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

49

Pentru a efectua activitatea de laborator virtual, am folosit programul LabVIEW,

unde am implementat un instrument virtual care permite măsurări ale valorilor electrice.

Rezultatele obținute prin această metodă modernă de dezvoltare, respectiv a temelor de

învățare la distanță, îi ajută pe elevi să studieze și să recupereze anumite discipline care din

motive personale nu au reușit să le susțină în timp real. Aplicațiile sunt dedicate mediului

preuniversitar, dar metoda poate fi folosită în laboratoarele de specialitate, în mediul

universitar și în cercetare, prin adaptarea instrumentului virtual în proiectele derulate. În

figura 4.31 am făcut o comparație între metodele de predare moderne și cele clasice. Ca

urmare a evaluării elevilor, am observat că prin utilizarea acestei metode moderne a existat o

creștere a promovabilității elevilor pe mai multe discipline.

Figura nr. 4.31 Evoluția elevilor pentru opt discipline de studiu. [C. Donose, 2018]

În tabelul 4.3 este prezentat un studiu de caz a evoluției elevilor din cadrul unui

liceul tehnic. Studiul a fost realizat pe patru clase de elevi, două clase de a noua și două clase

de a zecea, învățământ liceal tehnic, efectivul fiind de 120 de elevi. Aceștia au realizat

temele propuse în cadrul laboratoarelor de electrotehnică, unde au utilizat atât instrumente de

laborator clasice, cât și instrumente moderne. Din rezultatele obținute de către elevi, prin

utilizarea instrumentelor moderne, se poate observa o evoluție a învățării. Astfel aproape toți

elevii reușesc să elaboreze temele propuse. Acest studiu a fost centralizat pe doi ani de

studiu.

Page 53: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

50

Tabelul 4.3. Rezultatele utilizării instrumentelor clasice și moderne de predare

La realizarea acestui studiu am construit un chestionar de evaluare a gradului de

satisfacerea a elevilor prin abordarea laboratoarelor de electrotehnică cu instrumente de

învățare clasice și moderne. Rezultatele obținute în urma completării acestui chestionar se

pot observa în figurile nr. 4.32-4.33.

CHESTIONAR PRIVIND NIVELUL DE SATISFACERE A ELEVILOR ÎN

UTILIZAREA METODELOR CLASICE ȘI MODERNE DE PREDARE-ÎNVĂȚARE-

EVALUARE ÎN CADRUL LABORATORULUI DE ELECTROTEHNICĂ

1. A-ți asociat ușor noțiunile introductive a temei dezvoltate în cadrul

laboratorului de electrotehnică, cât și utilizarea programelor de dezvoltare a circuitelor

electrice?

DA

NU

2. Sunteți încântați de utilizarea instrumentelor clasice?

Clasa Elevi

Utilizarea instrumentelor clasice Utilizarea instrumentelor moderne

Implementare

circuite

electronice

Utilizare

multimetru

numeric

Identificare

componente

electronice

Proiectare

software a

circuitelor

electronice

Utilizare

instrumente

virtuale de

măsură

Simulare

circuite

electronice

Clasa a 9-a A

2013-2014

fete 1/6 3/6 5/6 3/6 6/6 5/6

băieți 10/24 15/24 18/24 20/24 24/24 22/24

Clasa a 9-a B

2013-2014

fete 4/12 6/12 8/12 9/12 11/12 10/12

băieți 8/18 15/18 12/18 13/18 15/18 17/18

Clasa a 10-a

A 2014-2015

fete 3/6 5/6 5/6 4/6 6/6 6/6

băieți 12/24 16/24 20/24 23/24 24/24 23/24

Clasa a 10-a

B 2014-2015

fete 6/12 7/12 10/12 10/12 12/12 11/12

băieți 10/18 16/18 14/18 16/18 17/18 18/18

Page 54: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

51

DA

NU

3. Sunteți încântați de utilizarea instrumentelor moderne?

DA

NU

4. A-ți avut dificultăți la implementarea circuitelor electronice și testarea

acestora?

DA

NU

5. A-ți avut dificultăți la proiectarea și simularea software a circuitelor

electronice?

DA

NU

6. Considerați că sunt mai ușor de utilizat instrumentele virtuale decât

echipamentele clasice de măsurare?

DA

NU

7. Doriți să mai utilizați instrumentele virtuale și în cadrul altor discipline?

DA

NU

Page 55: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

52

Figura nr.4.32 Utilizarea instrumentelor clasice.

Page 56: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

53

Figura nr. 4.33 Utilizare instrumentelor moderne.

Concluzii finale și contribuții

În capitolul 1 sunt evidențiate câteva metode moderne de predare-învățare-evaluare

utilizate de-a lungul timpului. Educatorii țintesc anumite standarde de competență, pricepere

și cunoștințe noi, având ca scop atingerea performanțelor în educație. Am prezentat câteva

Page 57: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

54

modele de învățare ce cuprind anumite stiluri de învățare pe baza cărora, elevii respectiv

profesorii pot alege modelul adecvat de învățare, în funcție de fiecare grup sau elev în parte.

O importanță deosebită la baza implementării educației la distanță sunt tehnologiile

informaționale ale comunicațiilor online. Educația la distanță este considerată ca un real

sprjin pentru elevi, având condiții ușor suportabile de către cursanți. Pentru o mai bună

coordonare a învățământului online este necesară o pregătire prealabilă a cursanților și în

funcție de activitățile acestora sunt prezentate tehnologiile practice, cu scopul de a înțelege și

a simplifica utilizarea tehnologiei în demersul didactic. La finalul capitolului am prezentat

standarde tehnologice în E-learning, printr-o reprezentare a arhitecturii acestui concept E-

learning și mijloacele de învățare a acestuia.

Stadiul actual al metodelor moderne de predare-învățare-evaluare este prezentat în

capitolul 2, unde am evidențiat metodele practice moderne de învățare în laboratoarele

școlare și desfășurarea procesului de învățare la distanță. Pentru a pune bazele unui proces de

învățare la distanță este nevoie de realizarea unor instrumente virtuale necesare procesului de

transmitere a datelor în mediul online.

Am continuat cu o prezentare a evoluției învățământului online la nivel universitar,

metode de simulare, conceptul laboratorului virtual, proiectarea instrumentelor de predare în

mediul online, etapele fundamentale pentru crearea unui instrument de predare, mijloace

electronice de elaborarea instrumentelor didactice, prezentarea unor instrumente virtuale

realizate în diverse programe. În încheierea acestui capitol am prezentat platforma de

predare-învățare-evaluare, precum: Microsoft Teams.

În cadrul tezei de doctorat am utilizat Kit-ul de dezvoltare Arduino UNO, platforma

educațională MOODLE și programul LabVIEW, astfel în capitolul 3 am relatat noțiunile de

bază a acestor instrumente educaționale. De asemenea interfața Arduino UNO este utilizată

în multiple sisteme de monitorizare și control, iar pentru programarea Kit-ului este nevoie de

susținerea asistată de un calculator compatibil cu placa de achiziție Arduino UNO. În

continuare este prezentat pașii de instalare a driver-ului dedicat, precum și modul de

realizare a proiectelor propuse.

Page 58: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

55

O importanță deosebită o au elementele IT dezvoltate pe platformele E-learning, așa

cum am prezentat în cadrul tezei, platforma MOODLE, în care se redau aspecte pedagogice

ale activității educaționale. Ca orice program, aceste platforme sunt susținute de un anumit

suport tehnic necesar pentru derularea acestora. Astfel, am prezentat dezvoltarea platformei

MOODLE.

În foarte multe domenii mediul de programare LabVIEW susține dezvoltarea de

aplicații pentru realizarea măsurărilor cu instrumentelor virtuale. Ceea ce definește un

instrument virtual (IV) este îmbinarea unui program asistat de calculator și o placă de

achiziții de date ce realizează o interpretare a unui instrument de măsură real, având ca

rezultat aceleași performanțe.

În capitolul 4 am prezentat abordarea practică a laboratoarelor virtuale, anume:

monitorizarea virtuală a circuitelor electrice, precum măsurarea tensiunii electrice,

curentului și rezistența ohmică a unui circuit electric; Acționarea și controlul unor

echipamente electronice prin intermediul instrumentelor virtuale. Din acest motiv mediile

laboratoarelor de electrotehnică s-au orientat către instrumente virtuale. Pentru această

cercetare am folosit o aplicație programului LabVIEW, iar pentru achiziția de date, în

special, am folosit kitul Arduino Uno, care leagă partea fizică de laborator de mediu

instrumentației virtuale. O prezentare generală a instrumentelor convenționale utilizate în

laboratoarele de electrotehnică, avantaje/dezavantajele acestora.

Acționarea și controlul unui motor de curent continuu, prin intermediul acestei

lucrări am realizat un instrument virtual de control a poziției motorului, iar achiziția de date

prin intermediul Kit-ului Arduino UNO. Astfel, am prezentat câteva circuite electrice în care

am utilizat instrumente virtuale. În cadrul cercetării doctorale am realizat un studiul

comparativ al utilizării instrumentelor clasice cât și moderne în laboratoarele de

electrotehnică. Astfel, am realizat un chestionar de evaluare a gradului de satisfacere a

elevilor pe parcursul a doi ani de studiu, unde am prezentat grafic răspunsurile date de către

elevi asupra modului de abordare a laboratoarelor.

Direcții viitoare de cercetare

Page 59: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

56

Continuarea cercetărilor se vor centra spre:

1. Dezvoltarea de noi instrumente educaționale prin utilizarea tehnologiei E-learning,

realității augumentate și cea virtuală în domeniul electrotehnic;

2. Studiul realizat în această cercetare doctorală va fi continuat și implementat atât pe

direcții de cercetare, cât și în procesul educațional în mediul preuniversitar.

Precum și cadrul platformelor dezvoltate în această cercetare doctorală se va urmări o

exitinderea aplicabilității de către toți participanții actului educațional, prin adaptarea

acestora la deprinderilor cursanților.

Diseminarea rezultatelor

Rezultatele cercetărilor obţinute pe parcursul stagiului doctoral au fost diseminate

prin elaborarea şi publicarea a 7 lucrări ştiinţifice, în reviste şi la conferinţe naţionale şi

internaţionale, printre care 3 lucrări ca prim autor.

Pe parcursul stagiului doctoral am participat la următoarele conferinţe:

2017 11th International Conference on Electromechanical and Power Systems,

SIELMEN 2017 – Proceedings 2017-January, Iaşi, România.

Proc. of the 22nd IMEKO TC4 International Symposium & 20th International

Workshop on ADC Modeling and Testing, 14-16 September, 2017, Iaşi, România.

EPE 2018 - Proceedings of the 2018 10th International Conference and

Expositions on Electrical And Power Engineering 8559761, 18-19 October 2018,

Iaşi, România.

Trei dintre lucrări au fost publicate în reviste precum:

Buletinul Institutului Politehnic din Iaşi Publicat de Universitatea Tehnică

„Gheorghe Asachi” din Iaşi, Volumul 64 (68), Numărul 2, 29 Iunie, 2018, Iaşi,

România.

Page 60: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

57

Bibliografie (selectivă)

1. J. D. WILLIAM, “Virtual - controlul fluxului canalului”, Artificial Intelligence

Laboratory and Laboratory for Computer Science Massachusetts Institute of

Technology, Cambridge 1990 IEEE, pp. 60-68.

2. GERALD L. HADEN, “An Object Oriented Modeling and Component For Virtual

Engineering”, IEEE FRONTIERS IN EDUCATION CONFERENCE, SESSION

14C5, Member IEEE 1992, pp. 814-820.

3. VIRGINIA L. STONICK, “Teaching Signals and Systems Using the Virtual

Laboratory Environment IN ECE AT CMU”, Electrical and Computer Enginnering

Department Carnegie Mellon University Pittsburgh, PA 15213, IEEE 1993, pp. 36-

40.

4. PHILIP BARKER, “USE OF A VIRTUAL LABORATORY FOR TEACHING

INSTRUMENT DESIGN”, Thr Institution of Electrical Engineers, London WCPR

OBL, UK, IEEE 1994, pp.1-5.

5. A. Asenov, C.R. Stanley, “A VIRTUAL IC FACTORY IN AN

UNDERGRADUATE SEMICONDUCTOR DEVICE FABRICATION

LABORATORY”, 1995 The Institution of Electrical Engineers. Printed and

published by the IEE, Savoy Place, London WCPR OBL, UK.

6. Ming-Tang Chen, Member, IEEE Chen-Wen Lu Che-Min Lin “Implementation of a

Integrated Algorithm for Voltage Variation and Flicker Measurements”, Department

of Electrical Engineering National Kaohsiung University of Applied Sciences

Kaohsiung, Taiwan, 2010.

7. D. Ursutiu, D. Iordache, C. Samoila, S. Dumitrescu, “Leveraging iLab to serve

client-less online laboratories for electronics”, Transilvania University/CVTC,

Brasov, România, 4-6 July 2012, pp.1-5.

8. Dr. S. Chatterji, Shimi S.L, Amit Kumar Singh, Anshul Gaur, “Web Laboratory in

Instrumentation Engineering for Distance Education using LabVIEW”, Dept. of

Electrical Engineering NITTTR, Chandigarh, India, 2-5 September 2013, pp.240-

244.

Page 61: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

58

9. Krishna Priya Ganesh, Dolly Mary A., “Speed estimation and Equivalent circuit

parameter determination of induction motor using Virtual Instrumentation”, Dept. of

Electrical Engineering Rajiv Gandhi Institute of Technology Kottayam, India, 2016,

International Conference on Next Generation Intelligent Systems (ICNGIS).

10. Anusua Ghosh, Andrew Nafalski, Zorica Nedic, Aji Prasetya Wibawa, “ Learning

management systems with emphasis on the Moodle at UniSA”, Bulletin of Social

Informatics Theory and Application ISSN 2614-0047 Vol. 3, No. 1, March 2019, pp.

13-21.

11. Susan Bobbitt Nolen, Milo D. Koretsky, “Affordances of Virtual and Physical

Laboratory Projects for Instructional Design: Impacts on Student Engagement”,

0018-9359 c 2018 IEEE. Personal use is permitted, but republication/redistribution

requires IEEE permission. See

http://www.ieee.org/publications_standards/publications/rights/index.html for more

information.

12. A. Soriano, L. Marin, M. Valles, A. Valera, P. Albertos, “Low Cost Platform for

Automatic Control Education Based on Open Hardware,” 19th World Congress The

International Federation of Automatic Control, Cape Town, South Africa, pp. 9044-

9050, August 2014.

13. 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 and L. Hakansson,

“On Objectives of Instructional Laboratories, Individual Assessment, and Use of

Collaborative Rem ote Laboratories,” IEEE Transactions on learning technologies,

vol. 2, no. 4, pp. 263-274, october-december 2009.

14. B. Erdera, A. Akara, “Remote accessible laboratory for error controlled coding

techniques with the labview software,” Procedia Social and Behavioral Sciences 2,

pp. 372–377, January 2010.

15. S. E. August, M. L. Hammers, D. B. Murphy, A. Neyer, P. Gueye, and R. Q.

Thames,” Virtual Engineering Sciences Learning Lab: Giving STEM Education a

Second Life ”, IEEE TRANSACTIONS ON LEARNING TECHNOLOGIES, VOL.

9, pp. 18-30, January-March 2016.

Page 62: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

59

16. T. Ahoniemi E. Lahtinen, “Visualizations in Preparing for Programming Exercise

Sessions.”, Electronic Notes in Theoretical Computer Science, pp.137-144, 2007,

Tampere, Finland.

17. C. Donose, C. M. Schreiner, A. C. Podaru, I. Pavel, “Actuating and Controlling

Electrical Circuits by means of Virtual Instruments,” 11-th International Conference

on Electromechanical and Power Systems (SIELMEN 2017), Iasi/Chisinau, pp. 441-

444, October 2017.

18. C. Donose, C. M. Schreiner, A. C. Podaru, I. Pavel, “Virtual Monitoring of

Electrical Circuitry,” 11-th International Conference on Electromechanical and

Power Systems (SIELMEN 2017), Iasi/Chisinau, pp. 437-440, October 2017.

19. Costel Donose, Cristina-Mihaela Schreiner, Stefan Cristian Macovei, “Using the

Virtual Online Laboratories for the pre-University”, 2018 International Conference

and Exposition on Electrical And Power Engineering (EPE), DOI:

10.1109/ICEPE.2018.8559617.

20. J. Boxall, Arduino Workshop . San Francisco, the Library of Congress, 2013.

21. J. Busquets, J.V. Busquets, D. Tudela, F. Perez, J. Busquets-Carbonell, A. Barbera,

C. Rodriguez, A.J. Garcia, and J. Gilabert, “ Low-cost auv based on arduino open

source microcontroller board for oceano-graphic research applications in a

collaborative long term deployment missions and suitable for combining with an usv

as autonomous automatic recharging platform”, In Autonomous Underwater

Vehicles (AUV), 2012 IEEE/OES, pp. 1-10, 2012.

22. Z. Nedic, J. Machokta, A. Nafalski, “ Remote laboratories versus virtual and real

laboratories”, Proceedings of the 2003 33rd annual frontiers in education conference,

Boulder, 2003.

23. Cristian Győző Haba, ” Using Continuous Education Courses to Improve Learning

Experience”, 2018 International Conference and Exposition on Electrical And Power

Engineering (EPE), DOI: 10.1109/ICEPE.2018.8559778.

24. Cristian Fosalau, Cristian Zet, ” An IoT Approach as a Virtual Laboratory for

Practicing Electrical Engineering Disciplines”, 2019 International Conference on

Sensing and Instrumentation in IoT Era (ISSI), DOI:

10.1109/ISSI47111.2019.9043736.

Page 63: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

60

25. Cristian Győző Haba, ” Educational resource management and optimization using

virtualization technologies”, 2011 14th International Conference on Interactive

Collaborative Learning, DOI: 10.1109/ICL.2011.6059614, Piestany, Slovakia.

26. Cristian Zet, Cristian Fosalau, ” Generating Programmable Analog Signals using

FPGA”, 2019 International Conference on Electromechanical and Energy Systems

(SIELMEN), DOI: 10.1109/SIELMEN.2019.8905870.

27. Ben-Bassat Levy, R., M. Ben-Ari and P. A. Uronen, The Jeliot 2000 program

animation system, Computers & Education 40 (2003), pp. 1–15.

28. Hundhausen, C. D., ”Integrating algorithm visualization technology into an

undergraduate algorithms course: Ethnographic studies of a social constructivist

approach”, Computers & Education 39 (2002), pp. 237–260.

29. Hundhausen, C. D., S. A. Douglas and J. T. Stasko, A meta-study of algorithm

visualization effectiveness., Journal of Visual Languages & Computing 13 (2002),

pp. 259–290.

30. Tudor Stanciu, Costică Nițucă, Gabriel Chiriac, Adrian Pleșca, “Coherence and

Continuity in the Continuing Education of Electrical and Energetic Field Teachers

from the Pre-University Environment”, 2018 International Conference and

Exposition on Electrical And Power Engineering (EPE), DOI:

10.1109/ICEPE.2018.8559926.

31. Cristian-Győző Haba, ” Educational resource management and optimization using

virtualization technologies”, 2011 14th International Conference on Interactive

Collaborative Learning, DOI: 10.1109/ICL.2011.6059614.

32. Elena Tiron, “ROLE PLAY IN BUILDING THE COMMUNICATIVE SKILLS IN

STUDENTS FROM A TECHNICAL UNIVERSITY”, Journal: Revista de

Pedagogie, Issue Year: LXVII/2019, Page Count: 16, pp. 57 – 71.

33. Tiron Elena, ” New Value-Behavioral Structures and Hierarchies in the Technical

Academic Education in the Context of Romania Integration in the European Union”,

Vol.1 No.2, April 2011, Sociology Mind, 1, DOI: 10.4236/sm.2011.12009.

34. Carla Luciane Blum Vestena, Juliana Berg, Weslley Kozlik Silva, Cristina Costa-

Lobo, “Intelligence and Creativity: Epistemological Connections and Operational

Page 64: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

61

Implications in Educational Contexts”, Creative Education > Vol.11 No.7, July

2020, DOI: 10.4236/ce.2020.117088.

35. André Koscianski, Denise do Carmo Farago Zanotto, “A Design Model for

Educational Multimedia Software”, Creative Education, Published Online December

2014 in SciRes.

36. Yan Li, Suqiong Qin, “The Relationship between Perceived Social Support and

Junior High School Students’ Post-Stress Growth: The Mediating Effect of

Psychological Capital”, Creative Education Vol.11 No.7, July 20, 2020, DOI:

10.4236/ce.2020.117077.

37. Mohammed Afandi Zainal, Mohd Effendi Ewan Mohd Matore, ” Factors

Influencing Teachers’ Innovative Behaviour: A Systematic Review”, Creative

Education Vol.10 No.12, November 29, 2019, DOI: 10.4236/ce.2019.1012213.

38. Wanyi Du, Yu Wang, ” Developing an Outcome-Based ESP Course with Blended-

Learning Method for Chinese Undergraduates”, Creative Education Vol.10 No.8,

August 14, 2019, DOI: 10.4236/ce.2019.108132.

39. Zhangsheng Liu, Wenjin Xie, Wenhai Zeng, Zhenggen Fan, ” Construction and

Application of Practical Teaching Platform of “Subject Integration” for Engineering

Management Major”, Open Journal of Social Sciences Vol.6 No.12,December 28,

2018, DOI: 10.4236/jss.2018.612016.

40. Sergii Kavun, Yousef Daradkeh, Alexander Zyma, ” Safety Aspects in the Distance

Learning Systems”, Creative Education Vol.3 No.1,February 22, 2012, DOI:

10.4236/ce.2012.31014.

41. Barry Chametzky, ” Andragogy and Engagement in Online Learning: Tenets and

Solutions”, Creative Education Vol.5 No.10,June 19, 2014, DOI:

10.4236/ce.2014.510095.

42. Prahalad Sooknanan, Jim Leung Chee, ” Diffusion of Technology for Organizational

Effectiveness: An Exploratory Study of the Procurement Department of a Multi-

National Energy Company in Trinidad and Tobago”, Advances in Journalism and

Communication Vol.2 No.4,November 27, 2014, DOI: 10.4236/ajc.2014.24014.

43. C. Foșalău, “Introducere în instrumentaţia virtuală”, Editura CERMI, Iași 2010, pp.

144.

Page 65: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

62

Lucrări publicate de autor

Articole publicate în reviste BDI

Mihalache George, Livinţ Gheorghe, Brăescu Florin Cătălin, Donose Costel,

Implementation of command sequences of hybrid stepper motor with dspicdem mcsm board,

Buletinul Institutului Politehnic din Iaşi Publicat de Universitatea Tehnică „Gheorghe

Asachi” din Iaşi, Volumul 64 (68), Numărul 2, 29 Iunie, 2018, Iaşi, România, pages: 95-101.

Articole publicate la conferinţe ISI

Pavel Ionel, David Valeriu, Donose Costel, A measurement system for the automatic survey

of the low frequency magnetic field, EPE 2018 - Proceedings of the 2018 10th International

Conference and Expositions on Electrical And Power Engineering, 18-19 October 2018, Iaşi,

România, pages: 568-571, ISBN: 978-153865062-2, ISSN: 2471-6855,

DOI: 10.1109/ICEPE.2018.8559761, WOS: 000458752200110, (indexată în IEEE Xplore,

Web of Science, SCOPUS).

Macovei Ștefan Cristian, Trandabăț Alexandru Florentin, Schreiner Cristina Mihaela,

Donose Costel, In House Development and Testing of Nanostructured Inks for Inkjet Printed

Sensors, EPE 2018 - Proceedings of the 2018 10th International Conference and Expositions

on Electrical And Power Engineering, 18-19 October 2018, Iaşi, România, pages: 873-876,

DOI: 10.1109/ICEPE.2018.8559617, ISBN: 978-1-5386-5062-2, INSPEC Accession

Number: 18322303, (indexată în IEEE Xplore, Web of Science, SCOPUS).

Donose Costel, Schreiner Cristina-Mihaela, Macovei Stefan Cristian, Using the Virtual

Online Laboratories for the pre-University, EPE 2018 - Proceedings of the 2018 10th

International Conference and Expositions on Electrical And Power Engineering, 18-19

October 2018, Iaşi, România, pages: 609-613, DOI: 10.1109/ICEPE.2018.8559617,

ISBN: 978-1-5386-5062-2, INSPEC Accession Number: 18322303, (indexată în IEEE

Xplore, Web of Science, SCOPUS).

Donose Costel, Schreiner Cristina-Mihaela, Podaru Alexandru-Constantin, Pavel Ionel,

Virtual monitoring of electrical circuitry, 2017 11th International Conference on

Electromechanical and Power Systems, SIELMEN 2017 – Proceedings 2017-January, Iasi,

Romania, pages: 437-440, WOS:000426906000083, ISBN: 978-153861846-2,

DOI: 10.1109/SIELMEN.2017.8123367, (indexată în IEEE Xplore, Web of Science,

SCOPUS).

Donose Costel, Schreiner Cristina-Mihaela, Podaru Alexandru-Constantin, Pavel Ionel,

Actuating and controlling electrical circuits by means of virtual instruments, 2017 11th

Page 66: APLICAȚII EDUCAȚIONALE ALE LABORATOARELOR VIRTUALE ÎN ...

63

International Conference on Electromechanical and Power Systems, SIELMEN 2017 –

Proceedings 2017-January, Iasi, Romania pages: 441-444, WOS:000426906000084,

ISBN: 978-153861846-2, DOI: 10.1109/SIELMEN.2017.8123371, (indexată în IEEE

Xplore, Web of Science, SCOPUS).

Articole publicate la conferinţe BDI

Ursan George-Andrei, Ciobanu Romeo Cristian, Donose Costel, Ursan Maria, Modeling and

Simulation of Electromagnetic Absorption Properties of the Different Nanostructured

Composites, 22nd IMEKO TC4 International Symposium & 20th International Workshop on

ADC Modeling and Testing, 14-16 September, 2017, pp. 275-278, Iasi, Romania,

ISBN: 978-151084976-1, (indexată în SCOPUS).