Аппаратно-программный комплекс для обучения естественнонаучным дисциплинам Российский патент 2024 года по МПК G01D21/02 G06F3/01 

Предлагаемое изобретение относится к области технических средств обучения, касается аппаратно-программного комплекса для обучения естественнонаучным дисциплинам, который предназначен для использования в образовательном процессе на групповых занятиях и для выработки практических навыков проведения экспериментов в области киберфизических систем и может быть использован в общеобразовательных учреждениях для проведения экспериментального практикума, получения и развития практических умений и навыков у учащихся средних и старших классов, студентами вузов, а также лицами, занимающимися разработкой товаров на основе киберфизических принципов.

Аппаратно-программный комплекс в отличие от традиционных экспериментальных стендов позволяет одновременно обучаться как предметам естественнонаучного цикла на фундаментальном уровне, так и информационным технологиям в их связке друг с другом, т.е. он выполняет задачу обучения технологиям интернета вещей и киберфизических систем, при этом пользователь может получать навыки практической работы самостоятельно изготавливая лабораторные модули и подключая их к инфраструктуре стендов.

Из патента RU 2751978 U1 (кл. G09B 23/24 опубл. 21.07.2021 г.) известна автоматизированная установка для проведения химических исследований, содержащая измерительные модули, связанные с системой управления и визуализации.

Недостатком указанной установки является адаптация исключительно для проведения химических исследований.

Из патента RU 2635790 C2 (кл. G09B 5/14, G09B 5/06 опубл. 15.11.2017 г.) известен

многофункциональный интерактивный учебный кабинет полигон, предназначенный для

проведения учебных занятий и содержащий рабочее место преподавателя и обучающихся.

Недостатком указанного учебного кабинета является отсутствие технических составляющих для проведения полноценного практикума с использованием средств виртуальной реальности.

Из патента RU 142148 U1 (кл. G09B 23/06, опубл. 20.06.2014 г.) известна учебная лаборатория, содержащая измерительные датчики для проведения учебного практикума.

Недостатком указанной учебной лаборатории является отсутствие возможности комбинирования учебных стендов.

Из патента RU 2737589 С1 (кл. G06F 3/01, G06F 3/04 опубл. 01.12.2020 г.) известна универсальная система для проведения виртуальных лабораторных и исследовательских экспериментов, содержащая модуль задания параметров виртуального пространства, модуль создания и добавления объектов виртуального пространства, модули управления объектами виртуального пространства и симуляции взаимодействия объектов виртуального пространства.

Недостатком указанного изобретения является отсутствие технической возможности работать в гибридном и автоматическом режиме.

Из патента RU 2751439 С1 (кл. G09B 23/00, G05B13/04, G06F 30/00 опубл. 13.07.2021 г.) известен способ и система симуляции в виртуальных лабораториях по электродинамике, содержащая модуль создания и добавления объектов виртуального пространства, модуль задания параметров виртуальных объектов, модуль задания параметров взаимодействия объектов виртуального пространства, модуль управления объектами виртуального пространства и взаимодействия между объектами виртуального пространства, модуль симуляции взаимодействия объектов виртуального пространства, модуль предъявления объектов виртуальной среды, модуль хранения данных, модуль расчета логической модели, модуль окружающей среды.

Недостатком указанного способа является адаптация исключительно в сфере электродинамики.

Из патента RU 41907 U1 (кл. G09B 23/06, опубл. 10.11.2004 г.) известен комплект лабораторного оборудования для физического практикума, содержащий установки для проведения лабораторных работ, при этом каждая установка включает по меньшей мере одно устройство для изучения закона, или явления, или процесса, или для определения физической величины в одной из областей физики, такой как механика, колебания и волны, молекулярная физика и термодинамика, электричество и магнетизм, волновая оптика, основы атомной и ядерной квантовой физики, основы физики твердого тела, а все установки включают указанные устройства для изучения законов, или явлений, или процессов, или определения физических величин во всех указанных областях физики.

Недостатком указанной полезной модели является устаревшая система проведения практикумов в виде традиционных устройств проведения экспериментов в области физики.

Из патента RU 2205456 C1 (кл. G09B 23/06, опубл. 27.05.2003 г.) известен стенд для лабораторных приборов, предназначенный для изучения законов молекулярной физики и термодинамики, содержащий корпус с боковыми, передней и задней стенками, днищем и крышкой, внутреннее пространство корпуса разделено на секции для размещения и фиксации приборов и элементов устройства.

Недостатком данного стенда является отсутствие возможности самостоятельной работы и выполнения функционала обучающего стенда.

Из патента RU 44196 U1 (кл. G09B 23/06, опубл. 27.02.2005 г.) известен демонстрационный стенд работоспособности изделия при воздействии динамической пыли и повышенной температуры, содержащий корпус с боковыми стенками из твердого прозрачного материала и крышкой, средства освещения демонстрируемого прибора.

Недостатком демонстрационного стенда является отсутствие возможности комбинирования стендов, а также ограниченный функционал действия стенда в виде нагревательных элементов и присоединенных вентиляторов.

Из патента RU 142148 U1 (кл. G09B 23/06, опубл. 20.06.2014 г.) известна учебная лаборатория, содержащая базовый набор датчиков и регистрирующий блок, включающего интерфейс USB, соединенный с микроконтроллером, который соединен с кварцевым генератором, с преобразователем напряжения и через преобразователь и коммутатор с группой входных контактов, выполненный с возможностью подключения к группе входных контактов до трех датчиков одновременно.

Недостатком учебной лаборатории является отсутствие сменных лабораторных модулей, предназначенных для моделирования конкретного явления природы или технической системы с возможностью сбора данных с датчиков, а также системы создания микроклимата в объеме прозрачной рабочей камеры.

Из патента UA 84363 U1 (кл. G01D 21/02, опубл. 16.05.2019 г.) известна учебная цифровая электронная лаборатория, содержащая модули с электронными элементами и устройства отображения и измерения физических величин.

Недостатком указанной цифровой лаборатории является отсутствие возможности комбинирования учебных стендов.

Из патента KO 101955818 U1 (кл. G09B 5/06, G09B 23/22, G03H 1/04 опубл. 08.03.2019 г.) известен способ обучения с помощью представления голограммы и машиночитаемый носитель для его осуществления, содержащий обучающий модуль, включающий устройство вывода изображения.

Недостатком указанного способа обучения является отсутствие технической возможности работать в гибридном и автоматическом режиме, а также комбинирования учебных стендов для формирования различных областей изучения.

В задачу изобретения положено создание аппаратно-программного комплекса для обучения естественнонаучным дисциплинам, устраняющего указанные неполадки.

Техническим результатом от использования изобретения является реализация назначения изобретения - улучшение эффективности и выработке практических навыков для проведения виртуальных лабораторных и исследовательских экспериментов, а также минимизация внешних воздействий на сменные лабораторные модули и результаты эксперимента за счет изолированности области проведения эксперимента от окружающего пространства.

Это достигается тем, что аппаратно-программный комплекс для обучения естественнонаучным дисциплинам содержит экспериментальные стенды со сменными лабораторными модулями, датчики и актуаторы, установленные в экспериментальных стендах и в сменных лабораторных модулях, внешние датчики и актуаторы, компьютеры с монитором, клавиатурой и мышью для организации локального рабочего места, компьютеры локального сервера интернета вещей, установленные в экспериментальных стендах, компьютеры видеосерверов, компьютеры серверов голосового управления с локальным распознаванием голоса, компьютеры для поддержки искусственного интеллекта на основе нейронных сетей, компьютеры локальной системы виртуальной реальности, очки виртуальной реальности и очки смешанной реальности с джойстиками, компьютерное оборудование центрального сервера интернета вещей, компьютерное оборудование центрального сервера образовательной системы, компьютеры администраторов комплекса, преподавателей, тьюторов и других удаленных пользователей, локальные каналы связи, каналы связи глобального масштаба, при этом датчики и актуаторы внутри экспериментальных стендов и в сменных лабораторных модулях, внешние датчики и актуаторы, компьютеры серверов голосового управления с локальным распознаванием голоса, компьютеры с монитором, клавиатурой и мышью для организации локального рабочего места соединены с компьютерами локальных серверов интернета вещей проводными или беспроводными локальными каналами связи, компьютеры с монитором, клавиатурой и мышью для организации локального рабочего места соединены локальными каналами связи с компьютерами видеосерверов, компьютерами для поддержки искусственного интеллекта на основе нейронных сетей и с компьютерами локальной системы виртуальной реальности, каналами связи глобального масштаба с компьютерным оборудованием центрального сервера интернета вещей и с компьютерным оборудованием центрального сервера образовательной системы, компьютеры локальных серверов интернета вещей также соединены локальными каналами связи с компьютерами локальной системы виртуальной реальности, с компьютерами серверов голосового управления, каналами связи глобального масштаба с компьютерным оборудованием центрального сервера интернета вещей, с компьютерным оборудованием центрального сервера образовательной системы, компьютеры видеосерверов также соединены локальными каналами связи с компьютерами для поддержки искусственного интеллекта на основе нейронных сетей, компьютеры локальной системы виртуальной реальности также соединены локальными каналами связи с очками виртуальной реальности и очками смешанной реальности с джойстиками; внешние датчики и актуаторы установлены за пределами экспериментальных стендов, в помещениях, в которых они находятся; компьютеры локального сервера интернета вещей установлены в нижней части корпуса экспериментальных стендов; в качестве проводного локального канала связи используется канал связи по протоколу RS 495; в качестве беспроводного локального канала связи используется канал связи по протоколу WiFi; в качестве канала связи глобального масштаба используется канал связи сети Интернет; в качестве сменных лабораторных модулей используются физический маятник, модуль для изучения оптического закона Малюса, машина Атвуда, пружинный маятник; корпус каждого экспериментального стенда содержит ребра, изготовленные из конструкционного алюминиевого профиля и стенки, вставляемые в пазы конструкционного алюминиевого профиля; корпус каждого экспериментального стенда разделен на две части горизонтальной пластиной, образующей стол рабочей области, при этом нижняя часть корпуса каждого экспериментального стенда образует аппаратный отсек экспериментального стенда, в котором установлены компьютер локального сервера интернета вещей, коммутатор, источник низковольтного электропитания на 5 В, источник низковольтного электропитания на 12 В, сетевые розетки питания на 220 В, блоки реле, бак с водой, компрессор, вакуумный насос, увлажнитель, низковольтная электропроводка, трубки для транспортировки жидкостей, аэрозолей и газов, верхняя часть корпуса каждого экспериментального стенда образует рабочий отсек, в котором на столе рабочей области, стенках корпуса и в объеме отсека установлены сменные лабораторные модули, а также монитор, закрепленный на задней стенке корпуса, видеокамеры, декартов робот с захватом для мобильных датчиков на основе электромагнита, сменный мобильный датчик, кассета с мобильными датчиками и актуаторами, электромагнитные клапана управлением потоком воздуха и воды, розетки низковольтного питания сменных лабораторных модулей, разъёмы подключения сетевых коммуникационных кабелей, гайки, встроенные в стол рабочей области обеспечивающие крепление сменных лабораторных модулей, штуцер ввода воды в стенд, ввод воды к сменным лабораторным модулям, трубка вакуумопровода, соединение с вакуумопроводом, нагреватели для нагрева воздуха внутри рабочего отсека и холодильники для охлаждения воздуха внутри рабочего отсека экспериментального стенда, встроенные в стенки экспериментального стенда, микрофоны для приема голосовых команд управления, выносной пульт дистанционного управления экспериментальным стендом; на внешней поверхности стенки корпуса каждого экспериментального модуля закреплены USB концентратор 18 и WiFi роутер.

На фиг. 1 представлен общий вид аппаратно-программного комплекса для обучения естественнонаучным дисциплинам.

На фиг. 2-5 представлен общий вид экспериментального стенда аппаратно-программного комплекса для обучения естественнонаучным дисциплинам.

На фиг. 6 представлен общий вид рабочего отсека экспериментального стенда. аппаратно-программного комплекса для обучения естественнонаучным дисциплинам

На фиг. 7 представлен пример экспериментального стенда аппаратно-программного комплекса в виде физического маятника.

На фиг. 8 представлен пример экспериментального стенда аппаратно-программного комплекса для изучения оптического закона Малюса.

На фиг. 9 представлен пример экспериментального стенда аппаратно-программного комплекса для изучения машины Атвуда.

На фиг. 10 представлен пример экспериментального стенда аппаратно-программного комплекса для изучения пружинного маятника, эффекта резонанса с возбуждающей силой, проявляющейся при включении магнитного поля.

Конструктивно аппаратно-программный комплекс для обучения естественнонаучным дисциплинам на фиг. 1 содержит:

1 - экспериментальные стенды;

2 - датчики и актуаторы экспериментальных стендов;

3 - внешние датчики и актуаторы;

4 - компьютеры с монитором, клавиатурой и мышью для организации локального рабочего места;

5 - компьютеры локального сервера интернета вещей;

6 - компьютеры видеосерверов;

7 - компьютеры для поддержки искусственного интеллекта на основе нейронных сетей;

8 - компьютеры локальной системы виртуальной реальности;

9 - очки виртуальной реальности и очки смешанной реальности с джойстиками;

10 - компьютерное оборудование центрального сервера интернета вещей;

11 - компьютеры серверов голосового управления с локальным распознаванием голоса;

12 - компьютерное оборудование центрального сервера образовательной системы;

13 - компьютеры администраторов комплекса, преподавателей, тьюторов и других удаленных пользователей;

14 - локальные каналы связи;

15 - каналы связи глобального масштаба.

Каждый экспериментальный стенд 1 аппаратно-программного комплекса для обучения естественнонаучным дисциплинам на фиг. 2-5 содержит:

5 - компьютеры локального сервера интернета вещей;

16 - корпус;

17 - блок пакетных выключателей;

18 - USB концентратор;

19 - Wi-Fi роутер;

20 - сетевой провод питания стенда на 220 В;

21 - сменные лабораторные модули;

22 - коммутатор;

23 - источник низковольтного электропитания на 5 В;

24 - источник низковольтного электропитания на 12 В;

25 - сетевые розетки питания на 220 В;

26 - блоки реле;

27 - бак с водой;

28 - компрессор;

29 - вакуумный насос;

30 - увлажнитель;

31 - низковольтную проводку;

32 - трубки для транспортировки жидкостей, аэрозолей и газов;

33 - монитор;

34 - видеокамеры;

35 - декартов робот;

36 - сменный мобильный датчик;

37 - кассету с мобильными датчиками и актуаторами;

38 - электромагнитные клапаны управлением потоком воздуха и воды;

39 - розетки низковольтного питания сменных лабораторных модулей;

40 - разъёмы подключения Ethernet кабелей;

41 - гайки;

42 - штуцер ввода воды в стенд;

43 - ввод воды к сменным лабораторным модулям;

44 - трубку вакуумопровода;

45 - соединение с вакуумопроводом;

46 - нагреватели для нагрева воздуха внутри рабочего отсека;

47 - холодильники для охлаждения воздуха внутри рабочего отсека;

48 - микрофоны для приема голосовых команд управления;

49 - выносной пульт дистанционного управления экспериментальным стендом 1.

На фиг. 7 представлен сменный лабораторный модуль 22 в виде физического (не математического) маятника, где:

50 - корпус установки, состоящий из поликарбоната;

51 - икрементальный энкодер с флажком;

52 - серводвигатель с катушкой нитки;

53 - нить;

54 - жесткий складывающийся стержень, обеспечивающий прямолинейность нитки;

55 - груз;

56 - штуцер для вставки сопла со сжатым воздухом;

57 - блок управления установкой;

58 - розетка для низковольтного питания;

59 - разъем для обмена данными.

На фиг. 8 представлен сменный лабораторный модуль 22 для изучения оптического закона Малюса, где:

60 - блок управления установкой;

61 - проводка подключения серводвигателя;

62 - серводвигатель поворота угла;

63 - датчик интенсивности света;

64 - розетка для низковольтного питания;

65 - разъем для обмена данными.

На фиг. 9 представлен сменный лабораторный модуль 22 для изучения машины Атвуда, где:

66 - серводвигатель с удерживающим устройством;

67 - шкиф;

68 - датчик препятствия;

69 - груз;

70 - корпус лабораторной установки, изготовленный из поликарбоната;

71 - проводка, соединяющий датчики препятствия и серводвигатель с блоком управления;

72 - разъем для обмена данными;

73 - блок управления установкой;

74 - розетка для низковольтного питания;

75 - лазерный дальномер.

На фиг. 10 представлен сменный лабораторный модуль 22 для изучения пружинного маятника, эффекта резонанса с возбуждающей силой, проявляющейся при включении магнитного поля, где:

76 - корпус лабораторной установки, изготовленный из поликарбоната

77 - соленоиды, закрепляющие положение пружинки;

78 - пружинка;

79 - груз;

80 - магнит с лазерным дальномером, расположенным внутри него;

81 - проводка, соединяющий магнит, соленоиды и лазерный дальномер с блоком управления;

82 - блок управления установкой;

83 - разъем для обмена данными;

84 - розетка для низковольтного питания.

Внутри каждого экспериментального стенда 1 и в составе сменных лабораторных модулей 21, а также в качестве элементов, обеспечивающих инфраструктурную поддержку работы сменных лабораторных модулей 21 установлены датчики и актуаторы 2. Датчики и актуаторы 2 получают команды управления от компьютеров локального сервера интернета вещей 5 по проводным или беспроводным локальным каналам связи 14. В качестве проводного локального канала связи 14 может использоваться, например, канал связи по протоколу RS 495. В качестве беспроводного локального канала связи 14 может быть использован канал связи по протоколу WiFi. Возможно комбинированное использование как проводных, так и беспроводных локальных каналов связи 14. Также по проводным и беспроводным локальным каналам связи 14 к компьютерам локального сервера интернета вещей 5 подключены внешние датчики и актуаторы 3, которые позволяют организовывать эксперименты вне рабочего отсека экспериментального стенда 1 или контролировать состояние внешней по отношению к экспериментальному стенду 1 среды, например, измеряя температуру и влажность воздуха в помещении, в котором располагается экспериментальный стенд 1, или регистрируя голосовые команды пользователя. Температура и влажность воздуха, поступающего из внешней по отношению к рабочему отсеку экспериментального стенда 1 среды внутрь рабочего отсека может влиять на результаты экспериментов и может быть учтена при обработке экспериментальных данных, голосовые команды могут использоваться для оперативного управления ходом эксперимента.

Компьютеры с монитором, клавиатурой и мышью для организации локального рабочего места 4 подключаются к компьютерам локального сервера интернета вещей 5 с помощью проводных или беспроводных локальных каналов связи 14, например, по протоколу WiFi. Пользователь имеет возможность с помощью программных средств на компьютере с монитором, клавиатурой и мышью для организации локального рабочего места 4 задавать сценарии автоматического управления ходом экспериментов, в которых используются сменные лабораторные модули 21 и остальные устройства экспериментального стенда 1. Компьютеры с монитором, клавиатурой и мышью для организации локального рабочего места 4 через глобальные каналы связи 15 (сеть Интернет) подключаются к компьютерному оборудованию центрального сервера образовательной системы 12, что позволяет пользователю, работающему на компьютере с монитором, клавиатурой и мышью для организации локального рабочего места 4 получать доступ к образовательным и справочным материалам, хранящимся на компьютерном оборудовании центрального сервера образовательной системы 12, а также загружать на компьютерное оборудование центрального сервера образовательной системы 12 мультимедийные материалы, создаваемые на компьютерах с монитором, клавиатурой и мышью для организации локального рабочего места 4. Эти материалы могут быть комментариями к проводимым экспериментам, результатами локальной обработки экспериментальных данных и т.п. Также в мультимедийные материалы могут встраиваться диалоговое окна, позволяющие обучающимся обсуждать данные экспериментов и иные релевантные материалы друг с другом, администраторами комплекса, преподавателями и тьюторами, которые работают за компьютерами 13.

Компьютеры локального сервера интернета вещей 5 по каналам связи глобального масштаба 15, например, каналам связи сети Интернет, соединены с компьютерным оборудованием центрального сервера интернета вещей 10, что позволяет передавать команды от компьютерного оборудования центрального сервера интернета вещей 10 через компьютеры локального сервера интернета вещей 5 на датчики и актуаторы 2 экспериментальных стендов 1, а также загружать данные, поступающие через компьютеры локального сервера интернета вещей 5 от датчиков и актуаторов 2 на компьютерное оборудование центрального сервера интернета вещей 10, что обеспечивает возможность проведения дистанционных экспериментов, при которых пользователь-экспериментатор и экспериментальный стенд 1 находятся в удаленных друг от друга географических точках. Компьютеры видеосервера 6 предназначены для записи видео, поступающего с видеокамер 34, а также извлечения этого видео по требованию пользователя. Видео может являться элементом мультимедийных материалов, создаваемых пользователем. Компьютеры видеосервера 6 локальными каналами связи 14 соединены с компьютером с монитором, клавиатурой и мышью для организации локального рабочего места 4. Также компьютеры видеосервера 6 соединены с компьютерами для поддержки искусственного интеллекта на основе нейронных сетей 7, что позволяет создавать датасеты изображений и видеофрагментов, на базе которых нейронные сети могут учиться распознавать объекты и процессы, находящиеся и протекающие на территории рабочих отсеков экспериментальных стендов 1.

Компьютеры локальной системы виртуальной реальности 8 соединены локальными каналами связи 14 с компьютерами локального сервера интернета вещей 5, компьютерами с монитором, клавиатурой и мышью для организации локального рабочего места 4, а также

с очками виртуальной реальности и очками смешанной реальности с джойстиками 9, что позволяет синхронизовать виртуальную сцену рабочих отсеков экспериментальных стендов (ее 3D-модель), включающую сменные лабораторные модули 21 и элементы инфраструктуры с реальными объектами, расположенными в экспериментальных стендах 1. За счет синхронизации изменения на реальной сцене ведут к изменениям на виртуальной сцене и наоборот - изменения на виртуальной сцене (переключения выключателей, перемещение объектов декартовым роботом 35 и т.п.) приводят к изменениям на реальной сцене.

Компьютеры сервера голосового управления с локальным распознаванием голоса 11 локальными каналами связи соединены с компьютерами локального сервера интернета вещей 5, что позволяет пользователю управлять экспериментальными стендами 1 с помощью голоса, фиксируемого внешними датчиками и актуаторами 3. В качестве такого датчика может выступать, например, микрофонный датчик.

Компьютеры видеосервера 6, компьютеры для поддержки искусственного интеллекта на основе нейронных сетей 7, компьютеры локальной системы виртуальной реальности 8, очки виртуальной реальности и очки смешанной реальности с джойстиками 9, компьютеры сервера голосового управления с локальным распознаванием голоса 11 располагаются в помещениях вблизи экспериментальных стендов и соединены с ними локальными каналами связи 14.

Компьютерное оборудование центрального сервера интернета вещей 10, компьютерное оборудование центрального сервера образовательной системы 12, компьютеры администраторов комплекса, преподавателей, тьюторов и других удаленных пользователей 13 могут располагаться в произвольных, удобных для их размещения географических точках и соединяться с экспериментальными стендами 1, с компьютерами с монитором, клавиатурой и мышью для организации локального рабочего места 4, с компьютерами локального сервера интернета вещей 5 с помощью каналов связи глобального масштаба 15.

В качестве компьютерного оборудования для центрального сервера интернета вещей 10 и компьютерного оборудования центрального сервера образовательной системы 12 используется, например, компьютерное оборудование на основе сервера iRU Rock C2212P.

В качестве компьютеров локальной системы виртуальной реальности 8 используются, например, компьютер для виртуальной реальности Virtuality Galaxy. При этом может быть использована, например, система виртуальной реальности HTC VIVE PRO Eye и сервер Искусственного Интеллекта с GPU для тренировки нейросетей НИКС Z0592901.

Корпус 16 каждого экспериментального стенда 1 содержит ребра, изготовленные из конструкционного алюминиевого профиля и стенки, вставляемые в пазы конструкционного алюминиевого профиля. Стенки корпуса 16 могут быть изготовлены, например, из листовой фанеры или из листового пластика. В качестве конструкционного алюминиевого профиля может быть использован, например профиль компании «Соберизавод».

На внешней поверхности стенки корпуса 16 закреплены USB концентратор 18 и WiFi роутер 19.

Корпус 16 каждого экспериментального стенда 1 разделен на две части горизонтальной пластиной, образующей стол рабочей области.

Нижняя часть корпуса 16 каждого экспериментального стенда 1 образует аппаратный отсек экспериментального стенда, в котором установлена большая часть устройств, создающих инфраструктурное обеспечение сменным лабораторным модулям 21, а именно:

- компьютер локального сервера интернета вещей 5, в качестве которого используется, например, компьютер Beelink SER5 Max;

- коммутатор 22 - устройство, предназначенное для соединения нескольких сменных лабораторных модулей 21 и для передачи данных от них в компьютер локального сервера интернета вещей 5, в качестве которого используется, например, коммутатор TP-LINK TL-SF1024D;

- источник низковольтного электропитания на 5 В 23, в качестве которого используется, например, блок питания MEAN WELL LRS-450-12;

- источник низковольтного электропитания на 12 В 24, в качестве которого используется, например, блок питания MEAN WELL HRP-300N3-12;

- сетевые розетки питания на 220 В 25;

- блоки реле 26;

- бак с водой 27 (конструкция позволяет размещать дополнительные баки с различными жидкостями, а также баллоны с газами, необходимыми для проведения экспериментов);

- компрессор 28, в качестве которого используется, например, компрессор Вихрь КМП-300/50 74/3/4;

- вакуумный насос 29, в качестве которого используется, например, вакуумный насос МЕГЕОН 98031;

- увлажнитель 30, в качестве которого используется, например, увлажнитель Ресанта УВ-3 67/7/1;

- низковольтная электропроводка 31;

- трубки для транспортировки жидкостей, аэрозолей и газов 32, в качестве которых используются, например, трубки Pegas pneumatic 6401.

Верхняя часть корпуса 16 каждого экспериментального стенда 1 образует рабочий отсек, в котором на столе рабочей области, стенках корпуса и в объеме отсека установлены сменные лабораторные модули 21, а также ряд устройств, создающих инфраструктурное обеспечение сменным лабораторным модулям 21, а именно:

- монитор 33, закрепленный на задней стенке корпуса 16, в качестве которого используют, например, монитор BBK 24LEM-1008/T2C (B);

- видеокамеры 34, в качестве которых используются, например, интеллектуальные датчики с возможностью записи видео и распознавания объектов и процессов DEPSTECH DW49 4K 8 Мп HD;

- декартов робот 35 с захватом для мобильных датчиков на основе электромагнита;

- сменный мобильный датчик 36;

- кассета с мобильными датчиками и актуаторами 37;

- электромагнитные клапана управлением потоком воздуха и воды 38;

- розетки низковольтного питания сменных лабораторных модулей 39;

- разъёмы подключения сетевых коммуникационных кабелей 40;

- гайки 41, встроенные в стол рабочей области обеспечивающие крепление сменных лабораторных модулей 21;

- штуцер ввода воды в стенд 42;

- ввод воды к сменным лабораторным модулям 43;

- трубка вакуумопровода 44;

- соединение с вакуумопроводом 45;

- нагреватели для нагрева воздуха внутри рабочего отсека 46 экспериментального стенда 1, встроенные в стенки экспериментального стенда 1;

- холодильники для охлаждения воздуха внутри рабочего отсека 47 экспериментального стенда 1, встроенные в стенки экспериментального стенда 1;

- микрофоны для приема голосовых команд управления 48;

- выносной пульт дистанционного управления 49 экспериментальным стендом 1.

В качестве сменных лабораторных модулей 21 используются, например, физический (нематематический) маятник (фиг. 7), модуль для изучения оптического закона Малюса (фиг. 8), машина Атвуда (фиг. 9), пружинный маятник (фиг. 10).

Каждый экспериментальный стенд 1 предлагаемого аппаратно-программного комплекса для обучения естественнонаучным дисциплинам может работать в нескольких режимах.

Например, каждый экспериментальный стенд 1 может работать в ручном режиме с управлением с помощью компьютера локального сервера интернета вещей 5. При этом пользователь размещает сменные лабораторные модули 21 внутри экспериментального стенда 1, фиксируя их винтами в гайках 41, встроенных в стол рабочей области на посадочных местах, и подключая к розеткам низковольтного питания сменных лабораторных модулей 39, разъёмам подключения сетевых коммуникационных кабелей 40, вводам воды 43 и других жидкостей, газов и аэрозолей к сменным лабораторным модулям 21, соединению с вакуумпроводом 45. Затем пользователь на компьютере с монитором, клавиатурой и мышью для организации локального рабочего места 4 в специальном компьютерном приложении подключает датчики и актуаторы 2 установленного съемного лабораторного модуля 21 к компьютеру локального сервера 5. При необходимости поддержания фиксированных параметров микроклимата внутри рабочего отсека, пользователь герметизирует рабочий отсек с помощью передней крышки, которая является съемной стенкой экспериментального стенда 1, прикручивая ее к передним ребрам корпуса 16. Пользователь в специальном компьютерном приложении создает виртуальную приборную панель, на которой в удобном для него виде располагает:

- графики, таблицы, текстовые и цветовые индикаторы, тепловые карты и иные средства индикации текущих и исторических данных измерений, поступающих с датчиков и актуаторов 2 сменного лабораторного модуля 21;

- элементы, обеспечивающие управление датчиками и актуаторами 2 сменного лабораторного модуля 21: кнопки, переключатели, слайдеры, текстовые поля для ввода команд.

С помощью элементов управления и элементов отображения данных, поступающих на приборную панель с датчиков и актуаторов 2, пользователь проводит эксперимент, следуя инструкциям, которые ему доступны через подключение к центральному серверу образовательной системы 12, либо версии инструкции на бумажном носителе, либо инструкции из других источников. Действия пользователя и показания с датчиков и актуаторов 2 записываются в базы данных компьютера локального сервера интернета вещей 5 в привязке ко времени и описанию эксперимента и могут быть в дальнейшем размещены пользователем в мультимедийных документах, хранящихся на компьютерном оборудовании центрального сервера интернета вещей 10 или на компьютерном оборудовании центрального сервера образовательной системы 12.

Каждый экспериментальный стенд 1 может работать в ручном режиме с управлением с помощью пульта дистанционного управления 49, в качестве которого может быть использован, например, планшет, или смартфон с сенсорным экраном и со специальным приложением, установленном на них. При этом экспериментальный стенд 1 функционирует так же, как и в случае работы в ручном режиме с управлением с помощью компьютера локального сервера интернета вещей 5, за исключением того, что непосредственное управление экспериментальным стендом 1 производится с помощью пульта дистанционного управления 49, построенного на базе планшета или смартфона с сенсорным экраном со специальным приложением, в котором отображаются элементы управления сменным лабораторным модулем 21, при этом вывод данных с датчиков и актуаторов 2 осуществляется параллельно на монитор 33, закрепленный внутри рабочего отсека экспериментального стенда 1, а также в приложение, установленном на планшете или на смартфоне.

Также каждый экспериментальный стенд 1 может работать в режиме управления с помощью устройств виртуальной реальности. При этом экспериментальный стенд 1 функционирует так же, как и в случае работы в ручном режиме с управлением с помощью компьютера локального сервера интернета вещей 5, за исключением того, что непосредственное управление экспериментальным стендом 1 производится с помощью устройств виртуальной и смешанной реальности, при этом изменения в виртуальных моделях, производимые пользователем синхронно выполняются в экспериментальном стенде 1, а данные, генерируемые датчиками и актуаторами 2 экспериментального стенда 1 отображаются на виртуальных приборных панелях внутри виртуальных моделей.

В автоматическом режиме каждый экспериментальный стенд 1 функционирует так же, как и в случае работы в ручном режиме с управлением с помощью компьютера локального сервера интернета вещей 5, за исключением того, что управление осуществляется программой, созданной пользователем на компьютере локального сервера интернета вещей 5 с помощью программного обеспечения компьютера с монитором, клавиатурой и мышью для организации локального рабочего места 4.

В режиме дистанционного управления управление экспериментальным стендом 1 осуществляется через виртуальную приборную панель, создаваемую пользователем в веб-приложении, отображаемом в стандартных компьютерных браузерах на компьютерах администраторов комплекса, преподавателей, тьюторов и других удаленных пользователей 13.

Кроме этого, каждый экспериментальный стенд 1 может работать в гибридных режимах. При этом в гибридном режиме может сочетаться ручное управление (частью датчиков и актуаторов 2), автоматическое управление (частью датчиков и актуаторов 2) и дистанционное ручное управление. При этом данные, поступающие с датчиков 2 сменных лабораторных модулей 21 также могут отображаться на разных устройствах (на мониторе компьютера локального рабочего места 4, на мониторе 33 внутри рабочего отсека экспериментального стенда 1, на экране пульта дистанционного управления 49, в браузере компьютеров администраторов комплекса, преподавателей, тьюторов и других удаленных пользователей 13.

Предлагаемые аппаратно-программный комплекс - это не просто отдельный лабораторный стенд - это сетевая система, включающая сеть экспериментальных стендов, объединенных компьютерной сетью с центральным сервером. Центральный сервер предоставляет следующие сервисы:

- регламентного и аварийного обслуживания;

- дистанционного обновления программного обеспечения;

- информирования и продажи новых лабораторных модулей;

- дистанционного проведения экспериментов на стенде (установке), подключенном к сети, с доступом к каждому отдельному сменному лабораторному модулю внутри него;

- структурирования, хранения, обработки и анализа, а также поиска и предоставления по запросу экспериментальных данных и результатов их обработки и анализа;

- структурирования, хранения, поиска и предоставления по запросу персональных мультимедийных материалов пользователя;

- предоставления пользователям образовательных и консультационных материалов как в форме мультимедийных документов, так и в форме видеоконференций;

- организации персональных и групповых чатов и видеочатов между пользователями с возможным участием администраторов комплекса, преподавателей, тьюторов, консультантов и других удаленных пользователей.

Заявляемый аппаратный-программный комплекс в отличие от традиционных экспериментальных стендов позволяет одновременно обучаться как предметам естественнонаучного цикла на фундаментальном уровне, так и информационным технологиям в их связке друг с другом, т.е. он выполняет задачу обучения технологиям интернета вещей и киберфизических систем, при этом пользователь может получать навыки практической работы, самостоятельно изготавливая сменные лабораторные модули и подключая их к инфраструктуре экспериментальных стендов.

Кроме этого, заявляемый аппаратный-программный комплекс обеспечивает возможность проведения множества экспериментов на одном экспериментальном стенде, поддерживающем инфраструктуру этих экспериментов за счет:

- наличия в экспериментальном стенде компьютера локального сервера интернета вещей, обеспечивающего:

- управление в автоматическом режиме множеством подключенных к нему сменных лабораторных модулей с возможностью получения данных от всех расположенных в них датчиков и передачи команд всем актуаторам в отдельности;

- управление в ручном режиме множеством подключенных к нему сменных лабораторных модулей с возможностью получения данных от всех расположенных в них датчиков и передачи команд всем актуаторам в отдельности с использованием виртуальных приборных панелей, создаваемых в компьютерной программе или web-интерфейсе;

- высокой контролируемости условий проведения эксперимента, обеспечивающей воспроизводимость результатов и возможность минимизации числа и интенсивности мешающих факторов за счет герметизации рабочего отсека экспериментального стенда;

- надежной и точной пространственной фиксации материальных объектов, используемых в проведении эксперимента за счет унифицированных креплений модулей внутри стенда;

- обеспечения экспериментальных модулей хорошо стабилизированным низковольтным электропитанием (например, 3; 5; 12 В) с унифицированными разъемами линий электропитания как на сменных лабораторных модулях, так и на экспериментальном стенде;

- обеспечения экспериментальных модулей системой передачи данных и команд управления с унифицированным протоколом обмена данными с локальным сервером и унифицированными сетевыми разъемами как на модулях, так и на стенде;

- обеспечения сменных лабораторнных модулей необходимыми для проведения экспериментов газообразными, жидкими и дисперсными веществами, которые хранятся в специальных емкостях и подаются по трубопроводам в сменные лабораторные модули с помощью системы насосов и клапанов;

- на сменных лабораторных модулях и экспериментальном стенде используются унифицированные разъемы для подключения модулей;

- прецизионного перемещения объектов на экспериментальных модулях и между ними с помощью встроенного стенд робота - манипулятора;

- одновременного проведения нескольких экспериментов на одном экспериментальном стенде;

- легкого создания, изменения и контроля необычных для применяемых в школах и вузах учебных экспериментов условий, например, вакуума, повышенного и пониженного давления воздуха, что расширяет спектр возможных экспериментов;

- подключения к экспериментальному стенду устройств виртуальной и смешанной реальности, синхронизуемых с реальными сменными лабораторными модулями: изменение в виртуальной модели сменного лабораторного модуля отражается в действиях реальных устройств сменного лабораторного модуля, а изменения в реальных устройствах сменного лабораторного модуля отображаются в виртуальной модели сменного лабораторного модуля;

- мониторинга и управления проведением эксперимента по большому числу параметров одновременно;

- построения сложных киберфизических систем за счет объединения в единые системы множества сменных лабораторных модулей, располагаемых на экспериментальном стенде и подключаемых к его инфраструктуре;

- проводить эксперимент с дистанционным доступом к экспериментальной установке за счет подключения локальных серверов экспериментальных стендов к центральному серверу и предоставления пользователю web-интерфейса для программирования локального сервера и создания связанных с экспериментальными стендами виртуальных приборных панелей;

- локального масштабирования экспериментального стенда за счет подключения к локальному серверу экспериментального стенда внешних модулей (как отдельных экспериментальных модулей, размещаемых непосредственно в помещении, так и дополнительных (дочерних) экспериментальных стендов, которые полностью или частично используют ресурсы материнского экспериментального стенда;

- пользователю создавать собственные сменные лабораторные модули и размещать их в экспериментальном стенде, выполнять с помощью этих модулей новые исследовательские проекты в готовой инфраструктуре, а также предлагать для рынка новые модули на продажу;

- для пользователя использовать программные и аппаратные решения, освоенные в ходе работы с СБ в индустриальных и личных проектах.

Также заявляемый аппаратный-программный комплекс предоставляет расширенный информационный контекст проведения эксперимента для пользователя за счет включения в него образовательной среды. Пользователю предоставляется персональная образовательная среда, поддерживаемая как с помощью компьютерного приложения, так и с помощью центрального сервера. Среда обеспечивает возможность:

- создания, поиска и отображения мультимедийных документов в специальном компьютерном приложении и браузерном web-интерфейсе;

- отображение в мультимедийных документах архивных данных и данных, поступающих в реальном времени в виде графиков, диаграмм, тепловых карт, траекторий на планах и картах, таблиц и т.п.;

- передачу данных и управляющих команд непосредственно из мультимедийных документов;

- привязать справочную информацию к каждой детали сменного лабораторного модуля и экспериментального стенда в целом (что позволяет легче собрать экспериментальную установку, выполнить эксперимент и осмыслить его).

Ниже представлен пример конкретного осуществления предлагаемого аппаратно-программного комплекса для обучения естественнонаучным дисциплинам.

Пример 1.

Аппаратно-программный комплекс со сменным лабораторным модулем «Физический (нематематический) маятник» (фиг. 7).

Указанный сменный лабораторный модуль закрепляли на посадочном месте экспериментального стенда и подключали к экспериментальному стенду посредством разъема низковольтного питания и коммуникационного разъема.

Исследуемый маятник состоит из телескопического подвеса, состоящего из двух трубок (трубка меньшего диаметра скользит внутри трубки большего диаметра). На верхнем конце трубки большего диаметра крепится осевая втулка, по оси которой проходит канал, позволяющий закрепить ее на оси датчика-энкодера. На конце трубки меньшего диаметра закреплен груз, образуемый цилиндрическим полым контейнером, изготовленным из пластмассы, в который может быть насыпана свинцовая дробь. Изменяя число дробинок, можно изменять вес груза. Длину телескопического подвеса можно изменять, меняя длину нити, один конец которой прикреплен к концу трубки меньшего диаметра, а второй к катушке. Нить проходит внутри телескопического подвеса, а также внутри канала осевой втулки. Катушка крепится на оси сервомотора. Сматывание и наматывание нити на катушку приводит к изменению длины телескопического подвеса. Энкодер предназначен для определения угла отклонения телескопического подвеса от вертикали. На верхней части осевой втулки жестко закреплен плоский флажок, на который воздействует струя сжатого воздуха, выходящая из сопла. Струя сжатого воздуха создается компрессором. Для периодического прерывания струи сжатого воздуха используется воздушный клапан. Включением и выключением воздушного клапана, а также углом поворота катушки, на которую с помощью сервомотора наматывается нить управляет блок управления лабораторного модуля, команды на который поступают с локального сервера. Также на блок управления, а затем через блок управления на локальный сервер поступают значения угла отклонения телескопического подвеса от вертикали, регистрируемые датчиком-энкодером.

Сменный лабораторный модуль «Физический (нематематический) маятник» позволяет исследовать физический маятник при трех видах колебаний:

- свободных колебаний;

- силового возбуждения;

- параметрического возбуждения.

Данный сменный лабораторный модуль может работать как в режиме автоматического управления, так и в режиме ручного управления.

Эксперимент по изучению свободных колебаний

Для проведения эксперимента пользователь в компьютерной программе на компьютере с монитором, клавиатурой и мышью для организации локального рабочего места при исследовании свободных колебаний в автоматическом режиме:

- создавал программу, включающую в момент времени, соответствующий началу эксперимента компрессор и питание лабораторного модуля, а также задавал набор моментов времени открывания воздушного клапана и время, на которое клапан открывается;

- создавал виртуальную приборную панель, на которую выводятся: временная циклограмма открывания воздушного клапана; график, показывающий величину отклонения телескопического подвеса от вертикали в зависимости от времени; виртуальная приборная панель позволяет отображать как данные в реальном времени, так и исторические данные за любой доступный временной интервал; видео, снимаемое камерами сменного лабораторного модуля.

Для проведения эксперимента пользователь в компьютерной программе на компьютере рабочего места при исследовании свободных колебаний в ручном режиме создавал виртуальную приборную панель, на которую выводится кнопка разового открывания воздушного клапана и окно ввода времени на которое открывается клапан, а также временная циклограмма открывания воздушного клапана; график, показывающий величину отклонения телескопического подвеса от вертикали в зависимости от времени; виртуальная приборная панель позволяет отображать как данные в реальном времени, так и исторические данные за любой доступный временной интервал; видео, снимаемое камерами сменного лабораторного модуля.

Эксперимент по изучению силового возбуждения колебаний.

Для проведения эксперимента в пользователь в компьютерной программе на компьютере с монитором, клавиатурой и мышью для организации локального рабочего места при исследовании силового возбуждения колебаний в автоматическом режиме:

- создавал программу, включающую в момент времени, соответствующий началу эксперимента компрессор и питание сменного лабораторного модуля, а также задавал диапазон частот открывания воздушного клапана, в рамках которого проводится исследование, шаг, с которым будет изменяться частота открывания воздушного клапана, а также продолжительность интервалов, в рамках которого воздушный клапан открывается на выбранной частоте;

- создавал виртуальную приборную панель, на которую выводятся: временная циклограмма открывания воздушного клапана с отображением времени, на которое открывается клапан; график, показывающий величину отклонения телескопического подвеса от вертикали в зависимости от времени; виртуальная приборная панель позволяет отображать как данные в реальном времени, так и исторические данные за любой доступный временной интервал; видео, снимаемое камерами сменного лабораторного модуля.

Эксперимент по параметрическому возбуждению физического маятника.

Для проведения эксперимента пользователь в компьютерной программе на компьютере рабочего места при исследовании силового возбуждения колебаний в автоматическом режиме:

- создавал программу, включающую в момент времени, соответствующий началу эксперимента компрессор и питание лабораторного модуля, а также задавал диапазон частот изменения длины телескопического подвеса, в рамках которого проводится исследование, шаг, с которым будет изменяться частота изменения длины телескопического подвеса, диапазон длин, в которых меняется длина телескопического подвеса, шаг изменения диапазона вариаций длин телескопического подвеса, а также продолжительность интервалов, в рамках которых проводится эксперимент с фиксированными значениями частоты и вариаций длины телескопического подвеса;

- создавал виртуальную приборную панель, на которую выводятся: временная циклограмма открывания воздушного клапана с отображением времени, на которое открывается клапан;

график, показывающий величину отклонения телескопического подвеса от вертикали в зависимости от времени; виртуальная приборная панель позволяет отображать как данные в реальном времени, так и исторические данные за любой доступный временной интервал;

видео, снимаемое камерами экспериментального модуля.

Указанный сменный лабораторный модуль, установленный в экспериментальный стенд позволил получить большой объем данных за небольшой промежуток времени, прецизионно автоматически варьируя множество параметров эксперимента, используя инфраструктурные элементы стенда: низковольтное электропитание, коммуникацию с компьютером локального сервера интернета вещей по заранее организованным каналам связи, компьютер локального сервера интернета вещей, позволяющего управлять сменным лабораторным модулем по заданной программе, а также принимать и сохранять данные со всех датчиков и актуаторов сменного лабораторного модуля, а также компьютерную программу, позволяющую пользователю задавать параметры эксперимента для его автоматического выполнения или для ручного управления элементами лабораторного модуля.

Изолированность области проведения эксперимента от окружающего пространства позволяет минимизировать внешние воздействия на сменный лабораторный модуль и результаты эксперимента.

Предлагаемое изобретение относится к области технических средств обучения, касается аппаратно-программного комплекса для обучения естественнонаучным дисциплинам, который предназначен для использования в образовательном процессе на групповых занятиях и для выработки практических навыков проведения экспериментов в области киберфизических систем, и может быть использован в общеобразовательных учреждениях для проведения экспериментального практикума, получения и развития практических умений и навыков у учащихся средних и старших классов, студентами вузов, а также лицами, занимающимися разработкой товаров на основе киберфизических принципов. Комплекс содержит экспериментальные стенды со сменными лабораторными модулями, датчики и актуаторы, установленные в экспериментальных стендах и в сменных лабораторных модулях, внешние датчики и актуаторы, компьютеры с монитором, клавиатурой и мышью для организации локального рабочего места, компьютеры локального сервера интернета вещей, установленные в экспериментальных стендах, компьютеры видеосерверов, компьютеры серверов голосового управления с локальным распознаванием голоса, компьютеры для поддержки искусственного интеллекта на основе нейронных сетей, компьютеры локальной системы виртуальной реальности, очки виртуальной реальности и очки смешанной реальности с джойстиками, компьютерное оборудование центрального сервера интернета вещей, компьютерное оборудование центрального сервера образовательной системы, компьютеры администраторов комплекса, преподавателей, тьюторов и других удаленных пользователей, локальные каналы связи, каналы связи глобального масштаба. При этом датчики и актуаторы внутри экспериментальных стендов и в сменных лабораторных модулях, внешние датчики и актуаторы, компьютеры серверов голосового управления с локальным распознаванием голоса, компьютеры с монитором, клавиатурой и мышью для организации локального рабочего места соединены с компьютерами локальных серверов интернета вещей проводными или беспроводными локальными каналами связи. Компьютеры с монитором, клавиатурой и мышью для организации локального рабочего места соединены локальными каналами связи с компьютерами видеосерверов, компьютерами для поддержки искусственного интеллекта на основе нейронных сетей и с компьютерами локальной системы виртуальной реальности, каналами связи глобального масштаба с компьютерным оборудованием центрального сервера интернета вещей и с компьютерным оборудованием центрального сервера образовательной системы. Компьютеры локальных серверов интернета вещей также соединены локальными каналами связи с компьютерами локальной системы виртуальной реальности, с компьютерами серверов голосового управления, каналами связи глобального масштаба с компьютерным оборудованием центрального сервера интернета вещей, с компьютерным оборудованием центрального сервера образовательной системы. Компьютеры видеосерверов также соединены локальными каналами связи с компьютерами для поддержки искусственного интеллекта на основе нейронных сетей. Компьютеры локальной системы виртуальной реальности также соединены локальными каналами связи с очками виртуальной реальности и очками смешанной реальности с джойстиками. Техническим результатом от использования изобретения является реализация назначения изобретения - улучшение эффективности и выработке практических навыков для проведения виртуальных лабораторных и исследовательских экспериментов, а также минимизация внешних воздействий на сменные лабораторные модули и результаты эксперимента за счет изолированности области проведения эксперимента от окружающего пространства. 9 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Аппаратно-программный комплекс для обучения естественнонаучным дисциплинам содержит экспериментальные стенды со сменными лабораторными модулями, датчики и актуаторы, установленные в экспериментальных стендах и в сменных лабораторных модулях, внешние датчики и актуаторы, компьютеры с монитором, клавиатурой и мышью для организации локального рабочего места, компьютеры локального сервера интернета вещей, установленные в экспериментальных стендах, компьютеры видеосерверов, компьютеры серверов голосового управления с локальным распознаванием голоса, компьютеры для поддержки искусственного интеллекта на основе нейронных сетей, компьютеры локальной системы виртуальной реальности, очки виртуальной реальности и очки смешанной реальности с джойстиками, компьютерное оборудование центрального сервера интернета вещей, компьютерное оборудование центрального сервера образовательной системы, компьютеры администраторов комплекса, преподавателей, тьюторов и других удаленных пользователей, локальные каналы связи, каналы связи глобального масштаба, при этом датчики и актуаторы внутри экспериментальных стендов и сменных лабораторных модулях, внешние датчики и актуаторы, компьютеры серверов голосового управления с локальным распознаванием голоса, компьютеры с монитором, клавиатурой и мышью для организации локального рабочего места соединены с компьютерами локальных серверов интернета вещей проводными или беспроводными локальными каналами связи, компьютеры с монитором, клавиатурой и мышью для организации локального рабочего места соединены локальными каналами связи с компьютерами видеосерверов, компьютерами для поддержки искусственного интеллекта на основе нейронных сетей и с компьютерами локальной системы виртуальной реальности, каналами связи глобального масштаба с компьютерным оборудованием центрального сервера интернета вещей и с компьютерным оборудованием центрального сервера образовательной системы, компьютеры локальных серверов интернета вещей также соединены локальными каналами связи с компьютерами локальной системы виртуальной реальности, с компьютерами серверов голосового управления, каналами связи глобального масштаба с компьютерным оборудованием центрального сервера интернета вещей, с компьютерным оборудованием центрального сервера образовательной системы, компьютеры видеосерверов также соединены локальными каналами связи с компьютерами для поддержки искусственного интеллекта на основе нейронных сетей, компьютеры локальной системы виртуальной реальности также соединены локальными каналами связи с очками виртуальной реальности и очками смешанной реальности с джойстиками.

2. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что внешние датчики и актуаторы установлены за пределами экспериментальных стендов, в помещениях, в которых они находятся.

3. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что компьютеры локального сервера интернета вещей установлены в нижней части корпуса экспериментальных стендов.

4. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что в качестве проводного локального канала связи используется канал связи по протоколу RS 485.

5. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что в качестве беспроводного локального канала связи используется канал связи по протоколу WiFi.

6. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что в качестве канала связи глобального масштаба используется канал связи сети Интернет.

7. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что в качестве сменных лабораторных модулей используются физический маятник, модуль для изучения оптического закона Малюса, машина Атвуда, пружинный маятник.

8. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что корпус каждого экспериментального стенда содержит ребра, изготовленные из конструкционного алюминиевого профиля и стенки, вставляемые в пазы конструкционного алюминиевого профиля.

9. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что корпус каждого экспериментального стенда разделен на две части горизонтальной пластиной, образующей стол рабочей области, при этом нижняя часть корпуса каждого экспериментального стенда образует аппаратный отсек экспериментального стенда, в котором установлены компьютер локального сервера интернета вещей, коммутатор, источник низковольтного электропитания на 5 В, источник низковольтного электропитания на 12 В, сетевые розетки питания на 220 В, блоки реле, бак с водой, компрессор, вакуумный насос, увлажнитель, низковольтная электропроводка, трубки для транспортировки жидкостей, аэрозолей и газов, верхняя часть корпуса каждого экспериментального стенда образует рабочий отсек, в котором на столе рабочей области, стенках корпуса и в объеме отсека установлены сменные лабораторные модули, а также монитор, закрепленный на задней стенке корпуса, видеокамеры, декартов робот с захватом для мобильных датчиков на основе электромагнита, сменный мобильный датчик, кассета с мобильными датчиками и актуаторами, электромагнитные клапана управлением потоком воздуха и воды, розетки низковольтного питания сменных лабораторных модулей, разъёмы подключения сетевых коммуникационных кабелей, гайки, встроенные в стол рабочей области обеспечивающие крепление сменных лабораторных модулей, штуцер ввода воды в стенд, ввод воды к сменным лабораторным модулям, трубка вакуумопровода, соединение с вакуумопроводом, нагреватели для нагрева воздуха внутри рабочего отсека и холодильники для охлаждения воздуха внутри рабочего отсека экспериментального стенда, встроенные в стенки экспериментального стенда, микрофоны для приема голосовых команд управления, выносной пульт дистанционного управления экспериментальным стендом.

10. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что на внешней поверхности стенки корпуса каждого экспериментального модуля закреплены USB концентратор и WiFi роутер.