Elevare i laboratori di ingegneria con LabsLand

Introduzione: Il dilemma del laboratorio nella moderna didattica di ingegneria

Tutti gli istruttori concordano sul fatto che gli studenti abbiano bisogno di un'esperienza pratica di laboratorio. Ma come fornire questa formazione in un moderno corso di ingegneria? È qui che le cose si complicano.

Organizzare sessioni pratiche tende a essere difficile e scomodo. Ogni studente deve recarsi in un laboratorio fisico, con hardware spesso costoso, attrezzature di complessa manutenzione e impegnative da tenere in perfette condizioni. Spesso lo svolgimento delle attività viene sconvolto da malfunzionamenti, non è possibile aprire e sorvegliare il laboratorio negli orari in cui vorrebbero andarvi gli studenti e una miriade di altre sfide limitano il numero di esercitazioni pratiche che gli istruttori possono eseguire in modo efficace o rendono difficile farle collimare con la teoria.

Di conseguenza, sebbene tutti apprezzino il lavoro pratico, è spesso difficile da attuare e rimane poco utilizzato.

Oggi, la tecnologia ci offre un nuovo strumento per ovviare in parte a questo problema: i laboratori remoti, sistemi che consentono agli studenti di accedere ad attrezzature di laboratorio reali tramite Internet. Nonostante il nome, i laboratori remoti non mirano a sostituirsi a quelli tradizionali, né sono orientati alla formazione a distanza. Sono stati concepiti come uno strumento potente per rendere più flessibile ed efficace l'insegnamento pratico di ingegneria.

Che cos'è LabsLand?

LabsLand è una piattaforma che consente di accedere a vere e proprie attrezzature didattiche di ingegneria tramite Internet. Non sono simulazioni, ma hardware reale. Gli istruttori possono così offrire esperienze pratiche in modo comodo ed efficace, senza le barriere logistiche delle tradizionali sessioni di laboratorio in presenza.

Questo non è solo un mezzo per la formazione a distanza, bensì uno strumento di uso generale per potenziare le sessioni pratiche. Gli istruttori possono incorporare più sessioni pratiche e anche unirle comodamente alle loro lezioni teoriche. In pochi secondi, gli studenti possono accedere a una pletora di dispositivi reali, sempre e ovunque si trovino, senza più vincoli geografici o orari limitati del laboratorio fisico.

Un aspetto fondamentale del LabsLand è che tutto si basa su dispositivi reali, non su emulazioni software o simulazioni. Gli studenti eseguono il codice e accedono ad apparecchiature e dispositivi fisicamente dislocati in tutto il mondo.

LabsLand è stato sviluppato per la didattica ingegneristica. Incorpora livelli di sicurezza per garantire che gli studenti possano fare esperimenti senza creare pericoli e senza rompere l'attrezzatura, fornisce analisi dell'apprendimento e controllo degli accessi e si integra con tutte le principali piattaforme LMS.

DigiKey è un partner strategico che ci aiuta a realizzare e fornire soluzioni efficaci per la didattica ingegneristica su larga scala.

Non solo per l'apprendimento a distanza

Anche se a prima vista potrebbe sembrare che i laboratori remoti siano stati pensati per la didattica a distanza, non è così. Sono uno strumento progettato per qualsiasi tipo di corsi e formazione in ingegneria e le università in presenza sono, di fatto, utenti comuni.

Anche quando sono disponibili laboratori fisici tradizionali, gli istruttori possono aggiungere laboratori remoti al loro set di strumenti per assicurare agli studenti l'accesso a una gamma più ampia di attrezzature, possono integrare tranquillamente questo accesso nelle loro lezioni teoriche e permettere agli studenti di accedere al laboratorio 24 ore su 24, 7 giorni su 7 senza restrizioni.

I laboratori remoti non sostituiscono necessariamente quelli tradizionali, ma li completano. Gli istruttori possono guadagnarne in comodità, ridurre i colli di bottiglia e offrire più tempo di laboratorio in modo costante e affidabile, con meno spese generali.

Figura 1. Studenti UPNA in un'aula che utilizzano il laboratorio remoto di LabsLand per accedere e programmare FPGA in tempo reale. (Immagine per gentile concessione di LabsLand)

I laboratori remoti non sono simulazioni

I laboratori remoti non sono simulazioni. Gli studenti non accedono solo a un software che imita il comportamento o la realtà di un dispositivo fisico, ma interagiscono con hardware assolutamente reale.

Molti strumenti forniscono dispositivi simulati o emulati. Possono essere davvero utili e LabsLand non ha lo scopo di sostituirsi ad essi. Ma, a un certo punto, gli studenti hanno bisogno di lavorare con segnali e componenti reali e questo è ciò che permette di fare LabsLand.

Le simulazioni sono sempre mediate dalle ipotesi di un programmatore. Si comportano come qualcuno ha deciso che dovrebbero comportarsi. Ciò significa che gli studenti potrebbero perdersi risultati inaspettati, casi limite o stranezze hardware che si verificano nel mondo reale, che spesso sono i momenti di apprendimento più preziosi. E questo è fondamentale per gli ingegneri, perché in fin dei conti le loro soluzioni devono affrontare, con precisione, le condizioni del mondo reale.

Con LabsLand, l'interfaccia è pulita e accessibile da un browser. In pochi secondi, lo studente può aprire il sito e iniziare a utilizzare apparecchiature completamente configurate. Ma, dietro le quinte, sta interagendo con hardware reale e sa che il suo apprendimento è radicato nella realtà.

Figura 2. Studenti che visitano di persona le apparecchiature del laboratorio remoto. (Immagine per gentile concessione di LabsLand)

Efficace quanto i laboratori tradizionali

Diversi studi empirici hanno confermato che i laboratori remoti offerti da LabsLand possono essere didatticamente efficaci quanto o più dei tradizionali laboratori pratici. Uno studio dell'Università di Washington ha confrontato gli studenti che imparano la progettazione di circuiti digitali utilizzando l'hardware FPGA da remoto o in presenza. Dai risultati, basati sulla tassonomia di Bloom, è emerso che le prestazioni degli studenti dei laboratori remoti sono decisamente più elevate in attività che richiedono analisi, senza alcun calo dell'apprendimento ad altri livelli come la comprensione o l'applicazione di concetti. Analogamente un esperimento condotto presso l'Università di Deusto utilizzando il laboratorio remoto VISIR (oggi sostituito dal LabsLand Hive spiegato sotto) ha mostrato miglioramenti statisticamente significativi tra i punteggi prima del test e quelli dopo il test in più istituti e a diversi livelli scolastici, con un effetto di Cohen di ben 1,0 corrispondente un forte impatto positivo sull'apprendimento.

Inoltre, da uno studio condotto dalla Monash University Malaysia è emerso che gli studenti che utilizzano i laboratori FPGA remoti di LabsLand non solo accedono all'apparecchiatura più spesso (con oltre 20.000 utilizzi in un semestre), ma hanno anche riferito di un maggiore coinvolgimento e si sono dichiarati più soddisfatti rispetto ai precedenti anni di utilizzo in presenza. I dati riscontrati hanno mostrato un migliore allineamento con i risultati di apprendimento del corso; gli studenti che utilizzano i laboratori remoti hanno dichiarato di aver avuto esperienze di apprendimento complessivamente migliori rispetto ai gruppi senza accesso. Questi risultati evidenziano che i laboratori remoti non sono dei semplici sostituti, quanto un miglioramento pedagogicamente solido e scalabile per la didattica ingegneristica.

Laboratorio FPGA: progettazione digitale ovunque

Il laboratorio FPGA LabsLand (incluso nelle licenze LCAL0001, LCAL9001 e LCAL9002) offre agli studenti l'accesso a schede FPGA reali come DE1-SoC e DE2-115 di Terasic, che si trovano in università e aziende di tutto il mondo. Queste schede sono collegate a periferiche reali, come LED, interruttori, display a 7 segmenti e clock interni e possono essere programmate tramite VHDL, Verilog o SystemVerilog.

Ma oltre alle nozioni di base, questo laboratorio supporta anche periferiche avanzate. Alcune schede sono collegate a display VGA, uscita audio e persino a configurazioni del mondo reale come un sistema di parcheggio intelligente o un controller Nintendo. Questi dispositivi possono essere controllati da remoto dalla logica dello studente in esecuzione sull'FPGA. Lo studente scrive il proprio codice HDL, lo carica e ottiene l'accesso alla scheda e alle periferiche effettive, interagendo con tutto in tempo reale.

Video 1: Studente che utilizza la scheda di Altera Terasic DE1-SoC da remoto: a sinistra, un feed della telecamera in tempo reale e a destra i controlli, inclusi 10 interruttori, 4 pulsanti e un controller NES virtuale. (Video per gentile concessione LabsLand)

Per i livelli introduttivi, il laboratorio include strumenti come Digital Trainer e Boole Designer, progettati per presentare concetti fondamentali come le porte logiche, i sistemi combinatori e l'algebra booleana, utilizzando l'hardware reale sottostante.

Figura 3. LabsLand Prism4 fornisce l'accesso remoto a quattro FPGA Altera DE1-SoC. Ai fini della visibilità, in figura il coperchio trasparente è stato rimosso. Sono collegati più cavi per consentire l'elaborazione video e audio, nonché periferiche aggiuntive. (Immagine per gentile concessione di LabsLand)

Laboratorio STM32: sistemi embedded

Il laboratorio LabsLand STM32 (incluso nelle licenze LCAL0004, LCAL9001 e LCAL9002) fornisce l'accesso remoto alle schede reali Nucleo WB55RG di STMicroelectronics, permettendo di insegnare ed esercitarsi con sistemi embedded, IoT o con la programmazione di microcontroller senza dover effettuare alcuna configurazione hardware.

Il laboratorio supporta diversi ambienti di sviluppo, tra cui l'IDE LabsLand basato sul Web, Studio Cloud di Keil, il compilatore Mbed online di ARM e toolchain offline come STM32CubeIDE o ambienti basati su GCC. Grazie a questa flessibilità, gli istruttori possono utilizzare lo stesso laboratorio sia nei corsi introduttivi che in quelli più avanzati. Ad esempio, date un'occhiata a questo corso Udemy utilizzando questo laboratorio remoto.

Le schede sono collegate a una serie di periferiche reali ed emulate: LED, LED RGB, servomotore, schermo LCD, oltre a interruttori, pulsanti e potenziometri. Supporta anche il monitoraggio della corrente, così che gli studenti possano analizzare il consumo energetico in diverse condizioni. Questo è utile nei corsi che si occupano dell'elaborazione efficiente dal punto di vista energetico o dei sistemi IoT a basso consumo.

Video 2: Laboratorio remoto STM32 Nucleo utilizzando gli interruttori, i pulsanti e osservando il display controllato da SPI, i LED, i servomotori e UART e un'applicazione del mondo reale in cui gli studenti possono controllare con la scheda reale un parcheggio simulato con GPIO. (Video per gentile concessione di LabsLand)

Esistono anche configurazioni avanzate che collegano la scheda ad ambienti virtuali interattivi, come un sistema di automazione dei parcheggi. Questi scenari sono particolarmente utili quando si combinano sistemi embedded con la logica a livello di sistema o con delle simulazioni.

Figura 4. Piastra per la disponibilità da remoto di quattro schede di sviluppo STM32 Nucleo WB55RG, pronte per l'integrazione in un'unità Prism4. Ogni configurazione include l'accesso a uno schermo, un servomotore, LED e periferiche aggiuntive. (Immagine per gentile concessione di LabsLand)

Laboratorio di elettronica analogica: costruzione e misurazione di circuiti reali

Il laboratorio di elettronica analogica LabsLand, noto anche come The Hive, (disponibile acquistando l'apparecchiatura LPEQ0001 o incluso nelle licenze LCAL0003, LCAL9001 e LCAL9002), consente agli studenti di costruire e misurare da remoto circuiti analogici reali. È destinato a corsi introduttivi di circuiti elettronici e analogici e include componenti chiave come resistori, condensatori, diodi e non solo.

Video 3: The Hive in azione: in alto i dati dell'oscilloscopio provenienti dall'apparecchiatura reale, in questo caso presso l'Università tecnica di Dortmund (Germania), dove è possibile vedere quali componenti sono stati utilizzati. (Video per gentile concessione di LabsLand)

Gli studenti utilizzano un'interfaccia visiva per costruire i circuiti, ma dietro le quinte le connessioni vengono create fisicamente utilizzando matrici di commutazione basate su relè. Tutte le misurazioni sono effettuate con strumentazione di laboratorio reale: oscilloscopio, generatore di funzioni, multimetro e alimentatori.

Il laboratorio supporta un ampio catalogo di circuiti predefiniti, tra cui reti di resistori, filtri RLC, diodi e altre configurazioni standard. I circuiti possono essere selezionati dal catalogo oppure creati manualmente utilizzando i componenti supportati. Ai fini della sicurezza e della praticità, il sistema limita ciò che può essere costruito fisicamente, ma offre comunque un'ampia copertura dei casi d'uso comuni nella didattica elettronica.

Grazie a un sistema di accodamento fluido e a tempi rapidi di misurazione, il laboratorio può essere utilizzato contemporaneamente da decine o addirittura centinaia di studenti, senza ritardi degni di nota.

Figura 5: Le schede basate su relè che costruiscono i circuiti elettronici analogici sono impilate e collegate, con LED di stato a tre colori accesi. (Immagine per gentile concessione di LabsLand)

Figura 6. Unità HIVE LabsLand in diversi paesi. In alto sono posizionate due piccole telecamere in tempo reale. (Immagine per gentile concessione di LabsLand)

Sempre disponibili e da qualsiasi luogo

Un vantaggio chiave dei laboratori remoti LabsLand è che sono disponibili sempre e da qualsiasi luogo. Non è necessario programmare fasce orarie specifiche, prenotare in anticipo, spostarsi in una determinata aula di laboratorio o attenersi agli orari dell'università.

Gli studenti possono connettersi da casa o da un'aula. Molti istruttori introducono l'uso del laboratorio anche durante le lezioni teoriche, sfruttando dispositivi reali nelle loro lezioni e fondendo più strettamente il lavoro pratico con la teoria.

Gli studenti possono esercitarsi di più e farlo quando sta loro più comodo e secondo i propri ritmi, il che incoraggia un maggiore uso del laboratorio e migliora i risultati.

Nessuna configurazione hardware, nessuna manutenzione

Dell'infrastruttura si occupano LabsLand e i suoi partner, per cui gli istituti non devono installare o configurare l'hardware o preoccuparsi della manutenzione, della calibrazione e della supervisione. Più copie dei laboratori sono distribuite a livello globale in luoghi diversi.

Ciò consente agli istruttori di concentrarsi sull'insegnamento, senza doversi occupare di logistica, di interruzioni dovute al malfunzionamenti delle apparecchiature o di problemi tecnici. Gli studenti possono connettersi comodamente in pochi secondi, in qualsiasi momento e ovunque si trovino, senza doversi adattare a rigide restrizioni temporali o geografiche.

Le università, dal canto loro, possono fornire un servizio che spesso non è solo più efficace e comodo, ma anche meno costoso, poiché il sottoutilizzo delle attrezzature di laboratorio e le spese generali di acquisto, manutenzione e supervisione sono notevolmente ridotti.

Modello flessibile: iscriversi o ospitare

Iniziare a lavorare con i laboratori LabsLand è semplice: gli istituti possono semplicemente iscriversi alla rete. In genere, le licenze hanno un costo contenuto, per studente e per semestre. Non è necessario acquistare hardware e sono disponibili contenuti didattici pronti all'uso e una guida esperta per aiutare gli istruttori a integrare rapidamente i laboratori nei loro corsi.

Per le università che desiderano implementazioni locali, personalizzazione e accesso prioritario alle proprie apparecchiature, LabsLand vende laboratori remoti predefiniti e all'avanguardia, molti dei quali in collaborazione con DigiKey, che possono essere implementati facilmente in ogni istituto e tramite i quali gli istituti possono unirsi alla rete come fornitori.

Gli istituti con apparecchiature proprie ottengono un maggiore controllo, un accesso prioritario ai propri sistemi, un utilizzo economicamente più conveniente e un riconoscimento globale del marchio.

Integrazione LMS perfetta

L'accesso al laboratorio è gestito e fornito tramite una piattaforma unificata. Si integra con la maggior parte dei sistemi di gestione dell'apprendimento, fra cui Moodle, Blackboard, Canvas, Sakai. Questo semplifica l'accesso ai laboratori e alle attività pratiche da parte degli studenti: tutto può rimanere in un unico posto ed è anche possibile sfruttare la valutazione automatica e altre funzionalità LMS.

La piattaforma LabsLand include anche strumenti per accedere all'analisi dell'apprendimento, monitorare l'utilizzo e altro ancora.

Scelto dai migliori istituti

LabsLand è già utilizzato da università di tutto il mondo. Alcune sono istituti molto noti come l'Università di Washington e l'Università del Michigan, nei cui campus vi sono anche attrezzature LabsLand.

La piattaforma viene utilizzata anche in numerosi contesti didattici, tra cui università in Germania, Spagna, Costa Rica e Sud Africa. L'Università di Fort Hare, ad esempio, utilizza LabsLand come parte dei suoi sforzi per ampliare l'accesso alla didattica ingegneristica. Anche UNED, una delle più grandi università d'Europa, utilizza LabsLand in molti dei suoi programmi.

Molte di queste università non si limitano a utilizzare i laboratori, ma vi contribuiscono anche. Alcune hanno attrezzature proprie e le condividono attraverso la rete, mettendo a disposizione degli studenti di tutto il mondo gli stessi laboratori che utilizzano in classe.

Della rete LabsLand fanno parte decine di altre università nelle Americhe, in Europa, in Africa e in Asia. Questo modello sta già funzionando su larga scala, in varie lingue e con stili di insegnamento e strutture dei corsi diversi, a dimostrazione del fatto che i laboratori remoti non sono solo un'idea teorica, ma uno strumento pratico e affidabile già in uso nelle aule reali.

Come iniziare

Iniziare con LabsLand è semplice. Se siete interessati a esplorare i laboratori, vedere come potrebbero essere utilizzati nel vostro corso o semplicemente saperne di più sulle opzioni, vi invitiamo a contattarci.

Potete iniziare subito a interagire senza dover configurare o acquistare nulla. Se state pensando di iscrivervi o ospitare, in futuro, saremo lieti di aiutarvi a capire come potrebbe funzionare nel vostro contesto.

Per mettervi in contatto o porre qualsiasi domanda, visitate https://labsland.com/en/contact

DigiKey offre anche un webinar con i co-fondatori di LabsLand in cui sarà affrontato nei dettagli il tema dei laboratori remoti per l'apprendimento a distanza. Per accedere al webinar, cliccare sul link in fondo al blog e compilare il modulo di iscrizione con le informazioni richieste.