EMERGE: UNA RED EDUCATIVA EUROPEA PARA LA INTEGRACIÓN DE LABORATORIOS ACCESIBLES VIA WEB

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   1 EMERGE: UNA RED EDUCATIVA EUROPEA PARA LA INTEGRACIÓN DE LABORATORIOS ACCESIBLES VIA WEB  Javier Sánchez Pastor, Rubén Cabello, Francisco J. Gómez-Arribas, Iván González,  Jorge López Hernández-Ardieta y Javier Martínez     Departamento de Ingeniería Informática Universidad Autónoma de Madrid. javier.sanchez@ii.uam.es RESUMEN El proyecto europeo Emerge propone crear una red educativa que pretende la integración de experimentos de laboratorio accesibles en remoto desde Web. El objetivo final consiste en extender la utilización de los laboratorios fuera de las instituciones individuales que forman parte del proyecto. Mediante tecnologías Web e instrumentación controlada por ordenador los estudiantes europeos tendrán a su disposición un conjunto de prácticas relacionadas con el área de la ingeniería electrónica. Para lograrlo se están desarrollando nuevas soluciones que integran los experimentos de los laboratorios de cada unos de los socios así como los servicios comunes. Se plantea cómo resolver los aspectos de seguridad, el control de acceso y el desarrollo de interfaces de usuario escalables. Las soluciones aportadas están basadas en tecnologías Web estándar como Applets, SOAP o PHP. En este trabajo se  presenta el estado actual del proyecto, el material de soporte desarrollado y las prácticas que ya están accesibles desde el portal  Web. 1. INTRODUCCIÓN Los recientes avances en tecnologías Web y su aplicación a la instrumentación controlada por ordenador permiten que los usuarios accedan de forma remota a instrumentos de medida complejos [1-3]. En el ámbito docente, se puede completar el aprendizaje en un curso a distancia mediante experimentación con equipos reales en laboratorios de ciencias y de ingeniería electrónica que hasta ahora solo incluían prácticas de simulación. Con la implantación de este tipo de laboratorios se afrontan, al mismo tiempo, el enorme esfuerzo económico que supone la compra de instrumentación por parte de las instituciones, y un aprovechamiento más eficiente de los recursos disponibles, tanto para investigación como  para docencia. Desde un punto de vista docente, se proporciona a los estudiantes un conjunto de prácticas para cuya realización se dispone de los equipos más modernos y avanzados.   El proyecto eMerge [4] (Educational network structure for disseMination of real laboratory Experiments to suppoRt enGineering Education) pretende desarrollar una estructura de red educativa avanzada e innovadora que permitirá la difusión de experimentos de laboratorio accesibles por Web, para dar soporte a la enseñanza de ingeniería y ciencia. Su desarrollo se encuadra dentro del programa SOCRATES-MINERVA de la Comunidad Europea e involucra a nueve instituciones educativas diferentes. El trabajo actual está basado en experiencias previas como Retwine [5], Lab-on-Web [6] y los proyectos RichODL de Sócrates [7]. Los contenidos actuales del proyecto eMerge engloban estas experiencias  previas donde se desarrollaron prototipos de laboratorios remotos. Usando tecnologías Web e instrumentación controlada por ordenador, se pretende poner a disposición del alumno un conjunto de prácticas de laboratorio, en las que se efectúan medidas sobre dispositivos reales, y a las que se accede a través de un navegador Web.   2El siguiente paso y principal objetivo del proyecto actual es extender estas tecnologías fuera de las instituciones individuales, haciendo que los experimentos estén disponibles para todos los estudiantes a nivel europeo. Para conseguirlo se están desarrollando un conjunto de soluciones para lograr la integración de los laboratorios remotos de cada institución  participante, incluyendo los servicios comunes, el control de acceso, la seguridad, y el desarrollo de interfaces de usuario escalables. Además se propone incrementar en la medida de lo posible, la relación entre las prácticas de laboratorio el material didáctico de soporte y los contenidos teóricos impartidos en un curso. Para mantener el alcance del proyecto a un nivel manejable, y debido a que los socios tienen una sólida experiencia en temas de electrónica, dispositivos microelectrónicos y diseño de sistemas digitales, tanto a nivel educativo como de investigación, los experimentos que se  proponen se han centrado únicamente en el área de electrónica y sistemas digitales. Sin embargo, la tecnología desarrollada en este proyecto es lo suficientemente genérica para  poder ampliar en un futuro el rango de experimentos a otras disciplinas incluidas en la mayor  parte de las áreas de conocimiento de ingeniería y de ciencias. El artículo está organizado como sigue: la siguiente sección está dedicada a describir la arquitectura de red distribuida del proyecto eMerge, después se detallan las posibilidades de utilización del portal en función del tipo de usuario y finalmente se indican algunos ejemplos de las actividades educativas que ya están disponibles y pueden ser utilizadas por los estudiantes. 2. ARQUITECTURA DE RED La red de eMerge ha sido diseñada de forma distribuida. El control de los experimentos de laboratorio y el material de los cursos es gestionado por los servidores locales de las diferentes instituciones involucradas en el proyecto. Cada socio desarrolla y gestiona una serie de contenidos educativos denominados actividades y los comparte con el resto del grupo. Las actividades se corresponden con experimentos de laboratorio, simulaciones de  procesos, temas de un curso, etc… Además de los servidores locales, existe un servidor central cuyos usuarios finales son tanto los estudiantes como los administradores de los servidores locales de cada laboratorio. Su objetivo es proporcionar información acerca de las características generales del proyecto y verificar las condiciones para dar acceso al estudiante a las actividades de los servidores locales. A este servidor se le conoce como servidor  principal y centraliza la gestión de usuarios, la lista de actividades, el calendario de las actividades que pueden realizar estos usuarios y el proceso de añadir o eliminar actividades. La estructura que describe esta arquitectura se representa en la Figura 1. Los experimentos de laboratorio no siempre están accesibles para los usuarios de eMerge. Se contempla la posibilidad de que el equipo de medida no esté disponible debido a que esté siendo usado para otra tarea ajena al proyecto eMerge, puesto que, como se indica en la introducción, en muchos casos el equipo se comparte con otros proyectos de investigación. En otras ocasiones, un experimento específico puede no estar disponible porque el instrumento de medida necesario esté siendo usado en otro experimento de eMerge. Por ejemplo, puede darse el caso de que las características eléctricas de salida de un transistor  bipolar no se puedan realizar al mismo tiempo que la caracterización de un transistor de efecto de campo, porque ambos dispositivos necesiten usar el mismo equipo de medida. Por estas razones, los laboratorios con acceso remoto ofrecen la posibilidad de realizar un experimento durante un limitado periodo de tiempo, que puede variar desde varias horas en un día, hasta varios días en un mes. Por otra parte, cuando el experimento lo requiera, el  periodo en el que está disponible el experimento se divide en intervalos de tiempo. El   3 propósito es garantizar el uso exclusivo del equipo relacionado con el experimento a realizar durante ese intervalo. Esta reserva es necesaria cuando la medida a realizar emplea mucho tiempo o en el caso de mediciones consecutivas cuando los valores actuales dependen de medidas anteriores. Para estos tipos de experimento, el usuario debe reservar un intervalo dentro del periodo en el cual el experimento está disponible. La duración del intervalo depende del tipo de experimento y debe ser establecida por el administrador responsable del experimento. En algunos trabajos experimentales, el acceso concurrente al equipo por varios usuarios puede estar controlado mediante una cola en la que se introducen las diferentes  peticiones de medida. En estos casos, el proceso de reserva por parte de los usuarios es innecesario. Figura 1. Arquitectura de red 2.1. El servidor principal En la estructura de red de eMerge, el servidor principal tiene por objetivo ofrecer diversos servicios a los usuarios y administradores locales del proyecto. Dicho servidor está formado  por un servidor Web y un conjunto de servicios. El servidor Web se comunica con los servidores locales y éstos a su vez pueden disponer de sus propios servicios locales. En la Figura 1 se muestra un diagrama de los servicios incluidos en el servidor principal. El servidor Web es el elemento principal de la estructura, actuando como un portal de acceso  para los usuarios. Aquí se almacena la información general de los objetivos del proyecto, así como de las instituciones involucradas en el mismo e información acerca de cómo acceder a los contenidos educativos. Además ofrece diversas acciones que están relacionados con el registro de usuarios, la presentación de los materiales educativos accesibles por los usuarios y la información acerca de los periodos de tiempo en los que los experimentos están   4disponibles, así como la reserva de intervalos de tiempo para la realización de algún experimento que así lo requiera. Todas estas acciones se realizan a través de los servicios que componen el servidor principal junto con el servidor Web. Como se esquematiza en la Figura 1 hay tres servicios que están disponibles en el servidor principal diferenciados del servicio Web: el servicio de directorio, el servicio de gestión de usuarios y el servicio de reservas. En la Figura 1 además de la estructura distribuida, que permite que los servicios puedan implementarse en diferentes ordenadores, también se muestra el flujo de comunicación con el usuario y los servidores locales. Figura 2. Lista de actividades proporcionadas por el servicio de directorios 2.1.1. El servicio de gestión de usuarios El servicio de gestión de usuarios mantiene información acerca de los usuarios registrados. Permite la creación o eliminación de cuentas de usuario, y también la modificación por parte de un usuario de sus datos. Se definen cuatro tipos de usuarios con diferentes privilegios de acceso: invitado, registrado, administrador local y administrador principal. El usuario invitado tiene acceso a la información general del proyecto y de las instituciones. Para este tipo de usuarios está disponible una lista con los contenidos educativos y su descripción. Se presentan ejemplos simulados que permiten dar una visión genérica de las actividades disponibles que pueden ser realizadas por el invitado. El perfil de un usuario en el sistema se puede modificar. Para pasar a ser un usuario registrado es necesario rellenar un formulario que automáticamente se envía al servidor Web, con información personal y académica que le identifique.   5Los usuarios registrados tienen acceso a todo el contenido educativo del proyecto  pudiendo realizar cualquiera de las prácticas ofertadas en él, con la única restricción de que el experimento a realizar esté disponible y se haya realizado una reserva, en el caso que sea necesaria. Los administradores locales pueden modificar y crear nuevos contenidos educativos en eMerge, relativos a su servidor local. Estos usuarios pueden insertar periodos de tiempo en los cuales los experimentos estén disponibles y establecer si son necesarias las reservas. Este tipo de usuario también puede insertar información útil en el servidor de directorio, como se describe mas adelante. El administrador principal tiene todos los privilegios del anterior tipo de usuario y además se encarga de gestionar el control de usuarios. 2.1.2. El servicio de directorio El servicio de directorio almacena información relacionada con el contenido educativo que se oferta a todos los usuarios. Esta información se estructura en los siguientes campos: el nombre de la actividad, el tipo de la actividad, que indica si la actividad es un experimento de laboratorio, un ejercicio de simulación o un curso, el periodo de tiempo en el cual la actividad está disponible y las palabras clave asociadas a la misma. El servicio de directorio ofrece una lista de las actividades que pueden ser realizadas y la información adicional relevante para que el usuario la selecione. Toda esta información se muestra en una página Web accesible a través del servidor Web. En la Figura 2 se muestra un ejemplo de una página generada a partir de la respuesta dada por el servicio de directorio. Los usuarios tiene la posibilidad de buscar actividades acordes a un criterio, como  puede ser el tipo de actividad, periodo de disponibilidad o una palabra clave determinada. Para ello acceden a un formulario presentado por el servidor Web, y rellenan los campos en los que quieren basar la búsqueda. El servidor Web envía esta información al servicio de directorio, que busca aquellas actividades que coincidan con los criterios de búsqueda, enviándoselas al servidor Web. Éste las presentará en forma de página Web, con el formato mostrado en la Figura 2. De la lista de experimentos obtenida del servicio de directorio, el usuario puede escoger empezar una actividad, siendo redireccionado a la URL correspondiente en el servidor Web local. Previo al redireccionamiento, se realizan una serie de comprobaciones:  por una parte se verifica que el usuario esté registrado y que la práctica está en ese momento disponible, por otra se comprueba si la actividad requiere reserva. En ese caso, se verifica que el usuario la tenga. Todas estas comprobaciones se realizan accediendo al servicio de directorio, de reserva y de gestión de usuarios. Si todas las comprobaciones son satisfactorias, el salto al servidor local se lleva a cabo.  2.1.3. El servicio de reservas El servicio de reservas mantiene la información acerca de la disponibilidad de cada una de las actividades ofertadas en el proyecto eMerge. Para las actividades que lo requieran, se divide el día en intervalos. Es el administrador local quien decide si la actividad exige reserva y la duración del intervalo. Cuando un usuario quiere ejecutar una actividad de este tipo, debe  previamente realizar una reserva de uno de estos intervalos. Para ello accede al servidor Web, que consulta la información de este servicio para mostrar los intervalos libres para realizar una actividad en la fecha indicada. El usuario selecciona un intervalo acorde con sus  preferencias y esta reserva le asegura el acceso exclusivo durante ese tiempo.
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