Lojik devreleri için sanal bir laboratuvarın geliştirilmesi
Development of a virtual laboratory for logic circuits
Yazar: ZEKERİYA AKÇAY
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ TURGAY AYDOĞAN
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
2019 Aralık ayından beri yaşanmakta olan pandemi sürecinde, uzaktan eğitim dünya genelinde zorunlu olarak uygulanmış ve günümüzde önemli bir eğitim modeli haline gelmiştir. Bu süreçte, mesleki orta öğretim kurumlarında ve üniversitelerde uygulamalı olan derslerin işlenmesi konusunda problemler yaşanmaktadır. Derslerin laboratuvarda yapılması gereken uygulamalarının, bu pandemi sürecinde etkin olarak yapılamaması, en önemli problemlerden birini oluşturmaktadır. Bu da ister istemez dersin verimliliğini olumsuz etkilemektedir. Bu olumsuzlukları ortadan kaldırmak amacıyla, uzaktan eğitim sürecinde, sanal laboratuvarların kullanımı ve önemi gittikçe artmaktadır. 

Lojik devreleri ile ilgili gerek akademik gerekse ticari olarak geliştirilen farklı sanal laboratuar uygulamaları vardır. Bu uygulamalar incelendiğinde bazı dezavantajları olduğu gözlenmiştir. Bu dezavantajlardan birisi, bazı uygulamaların sadece kişisel bilgisayarlara kurulum yapılıp bir masaüstü uygulaması olarak kullanılması ve buna bağlı olarak platform bağımsız olmamasıdır. Yani bu uygulamalar her türlü işletim sisteminde çalışmamaktadır. Diğer bir dezavantaj ise hiçbirinde ödev takip sisteminin bulunmamasıdır.

Bu tez çalışmasında gerek mesleki orta öğretim kurumlarında gerekse üniversitelerde, ders planlarında mantık devreleri, sayısal elektronik veya lojik devreler olarak adlandırılan dersler için web tabanlı bir sanal laboratuvar uygulaması geliştirilmiştir.

Sanal laboratuvar uygulaması ASP.NET WebForms ile C# programlama dili kullanılarak oluşturulmuştur. İstemci tarafında çalışan simülatör modülü Javascript programlama dili kullanılarak geliştirilmiştir. Veritabanı işlemleri için Microsoft SQL Server veri tabanı yönetim sistemi kullanılmıştır. 

Bu tez çalışması ile ortaya çıkarılan sanal laboratuvar uygulaması web tabanlı olduğu için her türlü platformda çalışabilmektedir. Lojik devreler dersindeki müfredatta anlatılan bütün devre elemanlarını ve fazlasını bünyesinde barındırmaktadır. Lojik devreleri ile ilgili her türlü devre tasarımı ve bu devre tasarımlarının simülasyonları yapılarak devrenin çalışması gözlemlenebilmektedir. Uygulamayı kullanmak için dört farklı tip kullanıcı tanımlaması yapılabilir. Birinci tip kullanıcılar, üye olmaya gerek kalmadan her türlü devre tasarımını yapıp bu devrelerin simülasyonunu çalıştırabilirler. İkinci tip kullanıcılar, üye olduklarında devre tasarımlarını kaydederek bunları herkese açık olarak paylaşabilmektedirler. Üçüncü tip kullanıcılar, üyelik sırasında kendilerini sisteme eğitmen olarak kayıt edebilmektedir. Bu kullanıcılar, sisteme öğrenci ekleme, öğrencilere süreli ödev tanımlama, ödevler ile ilgili doküman paylaşımı, deney föyü ekleme, öğrencilerin yaptığı ödevleri kontrol etme ve puan ile değerlendirme işlemlerini gerçekleştirebilmektedir. Dördüncü tip kullanıcılar ise eğitmenin kaydettiği öğrenci kullanıcılarıdır. Bu kullanıcılar, eğitmenin verdiği ödevleri yapıp sisteme kaydedebilmektedir. Ayrıca ödevlerden almış olduğu puanları görebilmektedirler.

Geliştirilen sanal laboratuvar uygulaması, bir web sunucusunda yayınlanıp 60 öğrenci ile test edilmiştir. Öğrencilere 10 adet ödev verilmiştir. Ödevler sonunda ise öğrencilere 20 soruluk bir anket uygulanmıştır. Anket sorularına verilen cevaplar analiz edilerek sistemin verimliliği ve başarısı incelenmiştir. Ankete katılan öğrencilerin %82'si, geliştirilen sanal laboratuvarın gerçek uygulamalara ön hazırlık olması bakımından uygun olduğunu ifade etmişlerdir. Öğrencilerin %84'ü, geliştirilen sanal laboratuvarın derslerde destekleyici materyal olarak kullanılabileceğini beyan etmişlerdir. Öğrencilerin %87'si, geliştirilen sanal laboratuvarın düzenli olarak kullanılması durumunda, derslerdeki akademik başarının artmasına katkı sağlayacağını belirtmişlerdir. Kullanıcı deneyimi anket analiz sonuçlarına göre, geliştirilen sanal laboratuvar sisteminin, yüz yüze ve uzaktan eğitimde, uygulamalı derslerde, eğitimin kalitesini ve verimliliğini artırdığı gözlemlenmiştir. 

Sanal laboratuvar uygulamasının kullanılması ile öğrencilerin derse daha çok motive olmaları, uygulama ve tasarım becerilerinin gelişmesi, akademik başarılarının artması ve eğitim-öğretim sürecinin kolay ve verimli geçmesi hedeflenmektedir.

Abstract:
Distance education has been compulsory worldwide and has become an important education system model due to the pandemic since December 2019. In this pandemic, there are some problems in the laboratory courses in high schools and universities. One of the most important problems is that the experimental studies that should be done in the laboratory cannot be done effectively during this pandemic. So that, learning process negatively affects effective teaching. In order to eliminate these disadvantages, the importance of virtual laboratories in the distance education is increasing.

There are different virtual laboratory applications related to logic circuits developed both academically and commercially. When these applications are examined, it has been observed that there are some disadvantages. One of these disadvantages is that some of the applicaions are installed as a desktop application and they are not platform independent. Another disadvantage is that none of them have a homework system.

In this thesis, a web-based virtual laboratory application has been developed for the courses which are called logic circuits, digital electronics or logic circuits in the lesson plans of both high schools and universities.

The virtual laboratory application was created using ASP.NET WebForms and C# programming language. The client-side simulator module was developed using the Javascript programming language. Microsoft SQL Server database management system was used for database operations. 

Since the virtual laboratory application is web-based, it can work on any platform. It contains all the circuit elements described in the syllabus of the logic circuits course. All kinds of logic circuit designs can be build and simulated. Four different types of user can be defined to use the application. The first type users can design all kinds of circuits and run simulations without the need to become a member. The second type users can save their circuit designs and share them publicly when they become a member. The third type users can register themselves as an instructor in the system during membership. These users can perform adding students, adding homework, sharing documents related to homeworks, adding documents, checking the homeworks and evaluating them. The fourth type users are students whom registered by the instructor. These users can perform the homeworks given by the instructor and save them to the system. They can also see the scores of their homeworks.

The developed virtual laboratory application was published on a web server and tested with 60 students. Ten homework were given to students. At the end of the homework, a questionnaire was applied to the students. There were 20 questions in questionnaire. The answers given to the questionnaire were analyzed and the efficiency and success of the system were examined. 82% of the students stated that the developed virtual laboratory was suitable as a preliminary preparation for the experiments. 84% of the students declared that the developed virtual laboratory can be used to assist in better understanding in the lessons. 87% of the students stated that if the developed virtual laboratory is used regularly, it will contribute to the increase the academic success. According to the user experience questionnaire analysis results, it has been observed that the use of the developed virtual laboratory system in applied courses increases the quality and efficiency of education in face-to-face and distance education.

According to the use of the virtual laboratory application, it is aimed that the students will be more motivated to the lesson, students will develop their experiments and design skills, students will increase their academic success and make the education-teaching process easy and productive.