Педагогические науки/1. Дистанционное образование

Белобородов В.Н. , Долгов А.Н., Зимин А.М., Иванов Е.М.*,

Летуновский С.В.*, Литвиненко О.В.*, Луцик В.П.*, Калашников Н.П., Клячин Н.А., Матрончик А.Ю., Мазетов О.Ю., Пентегова М.В., Серебрякова Е.М., Сергеев А.Н., Смирнов С.Ю., Тебелев Л.Г.*,

Троянова Н.М., Хангулян Е.В., Шутов А.В., Berge I.**, Grunemaier A.**, Petrosyan R.**.

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Россия.

Димитровградский инженерно-технологический институт НИЯУ МИФИ, Россия*

GMBH PHYWE, GERMANY**

ДИСТАНЦИОННЫЕ ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ И ПРИМЕНЕНИЮ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В КУРСЕ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

В докладе рассмотрены возможности широкого использования лабораторных работ с дистанционными средствами исполнения по получению, изучению и применению электромагнитного излучения рентгеновского диапазона в лабораторном практикуме курса общей физики в ОУ ВПО и СПО. Освоение данного раздела позволяет не только лучше понять физическую картину мира и строение вещества, но и получить значительный объём практической информации, совершенно необходимой в дальнейшей работе широкому кругу специалистов. Целесообразность использования дистанционных методов именно в рентгеновском лабораторном практикуме диктуется тем, что применение рентгеновской техники давно вышло за традиционные рамки естественнонаучных и медицинских исследований, и она всё шире внедряется в такие отрасли, как экология, криминалистика, антитеррористическая деятельность, искусствоведение и пр.

В настоящее время для оснащения образовательных учреждений выпускаются надёжные, простые в исполнении, радиационно - и электробезопасные лабораторные установки в виде компактных моноблоков. Наличие прозрачной лицевой панели, надёжно защищающей экспериментатора от рассеянного рентгеновского излучения, позволяет визуально следить за геометрией эксперимента в ходе работы, наблюдая за синхронным движением кристалла-анализатора и детектора излучения. Разнообразие методических приёмов работы с установками, широкий перечень принадлежностей и наличие персонального компьютера со специализированным программным обеспечением управления и обработки результатов дают возможность подробно ознакомиться с физическими процессами, приводящими к возникновению рентгеновского излучения, методами его регистрации и спектрального анализа, с методиками его использования в различных прикладных исследованиях. Наличие в учебной лаборатории нескольких таких установок позволяет внедрить в учебный практикум комплекс, включающий в себя до 30 наименований лабораторных работ по получению, обнаружению, изучению и использованию рентгеновского излучения.

Как правило, первая из выполняемых студентами работ посвящена ознакомлению с принципом действия, устройством и режимами работы рентгеновских трубок с различными антикатодами, с существующими способами обнаружения и регистрации рентгеновского излучения, с условиями возникновения тормозных и характеристических спектров. Последующие эксперименты по рассеянию Комптона, проверке закона Мозли, определению постоянных Планка и Ридберга, входящие в т.н. базовую группу лабораторных работ, облегчают студентам понимание квантовой природы электромагнитного излучения, структуры энергетических уровней атомов и переходов между ними, закрепляют знания фундаментальных законов, полученные на лекциях и семинарах.

Необходимость обеспечения доступа к данной группе работ широкого круга студентов сетевого территориально-распределенного вуза, а также образовательных учреждений, не имеющих требуемого специфического оборудования и опыта работы с ним, потребовала инновационного подхода к решению данной проблемы - создания лабораторных работ с дистанционными средствами исполнения по изучению и применению рентгеновского излучения.

Предлагаемый подход рассмотрен на примере работы, посвященной изучению характеристического рентгеновского излучения меди, а именно, исследованию зависимостей интенсивности характеристических линий CuKα и CuKβ от тока и напряжения на аноде рентгеновской трубки. В рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ подготовлен к эксплуатации с дистанционным управлением лабораторный стенд «Интенсивность характеристического излучения меди» на основе рентгеновского комплекса PHYWE XR 3.0 (Германия). В настоящее время существует более совершенная модель PHYWE XR 4.0.

Была разработана универсальная архитектура ретрансляционного комплекса, состоящая из лабораторного компьютера, подключенного непосредственно к экспериментальной установке, сервера-ретранслятора, осуществляющего кодировку, компрессию и трансляцию потока информации в Интернет, и собственно клиентского компьютера, расположенного удаленно. Причем один сервер-ретранслятор может использоваться на несколько лабораторных работ, и кроме того, на него могут быть возложены другие функции, например, веб-портала всего дистанционного физического практикума.

Для оптимизации нагрузки на сервера-ретрансляторы все функции по маршрутизации Интернет-трафика были перенесены на центральный маршутизатор НИЯУ МИФИ, что позволило значительно их разгрузить, дав тем самым возможность каждому серверу-ретранслятору обслуживать несколько лабораторных работ. Этому также способствовало и то, что все лабораторные компьютеры и сервера были одинаково подключены к общей сети МИФИ, а не к изолированным подсетям подразделений. Управление доступом к серверам- ретрансляторам извне МИФИ было перенесено в единый для всех серверов узел на центральном маршрутизаторе, что в свою очередь, способствовало упрощению настройки и работы с такой распределенной системой.

Для организации аудио-визуального канала было принято решение использовать Интернет-камеру, которая, в отличие от обычной веб-камеры, имеет встроенный процессор и аппаратный веб-сервер, позволяющий подключать ее непосредственно к Интернету, минуя сервер-ретранслятор.

Формирование интернет-канала содержит следующие этапы:

1.Получение учетных записей для авторизации на промежуточном сервере безопасности и на LAB-сервере НИЯУ МИФИ

2.Настройка proxy сервера в ДИТИ НИЯУ МИФИ для формирования интернет-канала. Выделение необходимой гарантированной полосы пропускания канала для надежной работы ПО видеосвязи и NX клиента.

3.Установка программного продукта JAVA Runtime Environment для обеспечения функционирования NX клиента.

4.Подключение к внешнему IP – адресу сервера НИЯУ МИФИ в соответствии с полученными учетными данными по http – протоколу.

5.Выполнение авторизации на NX сервере, а также на LAB сервере, подключение к удаленному рабочему столу.

После выполнения вышеперечисленных действий пользователь, физически находящийся в дисплейном классе территориального подразделения в 1000 километрах от установки, получает возможность управления лабораторным стендом, уставленным в НИЯУ МИФИ в Москве.

Разработан комплект сопроводительной документации, включающий:

· Сценарий проведения лабораторной работы

· Обучающие материалы

· Средства входного контроля

· Документированная версия выполнения работы

· Инструкции для участников

Проведенные сеансы дистанционного выполнения лабораторной работы «Интенсивность характеристического излучения меди» подтверждают эффективность и надежность предложенной технологии.

Вторая часть рентгеновского практикума, имеющая прикладную направленность, знакомит студентов с конкретными примерами использования рентгеновских методов исследования и контроля в науке, технике, медицине и других отраслях. Помимо традиционных работ по рентгеноструктурному анализу сюда входят работы по ознакомлению с методами количественного анализа элементного состава различных неорганических соединений, включая неразрушающий метод флуоресцентной спектроскопии, который находит всё большее применение в таких нетрадиционных для рентгеновской техники областях как криминалистика и экспертиза произведений искусства. Работы по дозиметрии рентгеновского излучения позволяют экологам освоить простой метод количественной оценки поля излучения по степени ионизации молекул воздуха в объёме плоского конденсатора. Для будущих специалистов в области медицинской диагностики (как врачей, так и инженеров) большой практический интерес представляет наблюдение за распространением контрастирующего раствора на основе йода в модели кровеносных сосудов, а также обнаружение и анализ формы объектов, имплантированных в непрозрачную среду и не наблюдаемых визуально. Обеспечение возможности дистанционного выполнения работ этой группы является не менее актуальной задачей, чем рассмотренный в данном докладе пример из первого базового комплекса.

В заключение следует подчеркнуть, что переход к дистанционному выполнению лабораторных работ по обсуждаемой тематике позволит не только обеспечить широкий доступ к имеющимся в профилирующих университетах разработкам, но и стимулировать дальнейшее расширение их номенклатуры в интересах непрофилирующих образовательных учреждений высшего и среднего профессионального образования. Это, в свою очередь, позволит перейти к созданию лабораторных практикумов коллективного пользования, призванных не только значительно сократить расходы на приобретение и обслуживание оборудования для учебных целей, но и увеличить эффективность его использования. При этом следует понимать, что размещение дорогостоящей рентгеновской аппаратуры возможно только в лабораториях, удовлетворяющих специфическим жёстким требованиям эксплуатации высоковольтного оборудования с радиоактивными источниками, обслуживаемых специалистами соответствующей квалификации.

Помимо прочего, дистанционный рентгеновский лабораторный практикум поможет молодым специалистам избавиться от рентгенофобии, возникающей, в тех случаях, когда нет ясного понимания различия между рентгеновским излучением, возникающим при вынужденном процессе, и радиоактивным излучением, возникающим при самопроизвольных превращениях атомов.

Кроме того, предлагаемый подход будет полезен и в случае использования других высокотехнологичных приборов и установок в общефизическом и специализированных практикумах, особенно, когда нахождение рядом с такой установкой во время эксперимента может нанести вред здоровью. .