نظام التجريب التفاعلي والمصور عبر الإنترنت للتعليم والبحث الهندسي
Summary
يصف هذا العمل نظام التجريب عبر الإنترنت الذي يوفر تجارب مرئية ، بما في ذلك تصور النظريات والمفاهيم والصيغ ، وتصور العملية التجريبية باستخدام منصات اختبار افتراضية ثلاثية الأبعاد (3-D) ، وتصور نظام التحكم والمراقبة باستخدام عناصر واجهة مستخدم مثل الرسوم البيانية والكاميرات.
Abstract
التجريب أمر بالغ الأهمية في التعليم الهندسي. يستكشف هذا العمل التجارب المصورة في المختبرات عبر الإنترنت للتعليم والتعلم وكذلك البحث. تتم مناقشة الميزات التفاعلية والتصورية ، بما في ذلك تنفيذ الخوارزمية الموجهة نظريا ، وتصميم الخوارزمية المستندة إلى الويب ، وواجهة المراقبة القابلة للتخصيص ، ومنصات الاختبار الافتراضية ثلاثية الأبعاد (3-D). ولتوضيح سمات المختبرات المقترحة ووظائفها، تقدم ثلاثة أمثلة، بما في ذلك استكشاف النظام من الدرجة الأولى باستخدام نظام قائم على الدائرة مع عناصر كهربائية، وتصميم خوارزمية تحكم على شبكة الإنترنت للتجريب الافتراضي وعن بعد. باستخدام خوارزميات التحكم المصممة من قبل المستخدم ، لا يمكن إجراء عمليات المحاكاة فحسب ، بل يمكن أيضا إجراء تجارب في الوقت الفعلي بمجرد تجميع خوارزميات التحكم المصممة في خوارزميات تحكم قابلة للتنفيذ. يوفر المختبر المقترح عبر الإنترنت أيضا واجهة مراقبة قابلة للتخصيص ، حيث يمكن للمستخدمين تخصيص واجهة المستخدم الخاصة بهم باستخدام الأدوات المتوفرة مثل مربع النص والرسم البياني و 3-D وأداة الكاميرا. يمكن للمعلمين استخدام النظام للعرض التوضيحي عبر الإنترنت في الفصل الدراسي ، والطلاب للتجريب بعد الفصل الدراسي ، والباحثين للتحقق من استراتيجيات التحكم.
Introduction
المختبرات هي بنية تحتية حيوية للبحث والتعليم. عندما لا تكون المختبرات التقليدية متاحة و / أو يمكن الوصول إليها لأسباب مختلفة ، على سبيل المثال ، تكاليف الشراء والصيانة التي لا يمكن تحملها ، واعتبارات السلامة ، والأزمات مثل جائحة مرض فيروس كورونا 2019 (COVID-19) ، يمكن للمختبرات عبر الإنترنت تقديم بدائل1،2،3. وعلى غرار المختبرات التقليدية، أحرز تقدم كبير مثل الميزات التفاعلية4 والتجارب القابلة للتخصيص5 في المختبرات عبر الإنترنت. قبل وأثناء جائحة COVID-19 ، تقدم المختبرات عبر الإنترنت خدمات تجريبية للمستخدمين في جميع أنحاء العالم6,7.
من بين المختبرات عبر الإنترنت، يمكن للمختبرات البعيدة أن توفر للمستخدمين تجربة مماثلة للتجارب العملية بدعم من منصات الاختبار المادية والكاميرات8. ومع تقدم الإنترنت، والاتصالات، والرسومات الحاسوبية، وتقنيات التقديم، توفر المختبرات الافتراضية أيضا بدائل للمختبرات التقليدية1. تم التحقق من فعالية المختبرات البعيدة والافتراضية لدعم البحث والتعليم في الأدبيات ذات الصلة1،9،10.
يعد توفير التجارب المرئية أمرا بالغ الأهمية للمختبرات عبر الإنترنت ، وأصبح التصور في التجريب عبر الإنترنت اتجاها. يتم تحقيق تقنيات تصور مختلفة في المختبرات عبر الإنترنت ، على سبيل المثال ، مخططات المنحنيات ، ومنصات الاختبار ثنائية الأبعاد (2-D) ، ومنصات الاختبار ثلاثية الأبعاد (3-D) 11. في التعليم الضابط ، العديد من النظريات والمفاهيم والصيغ غامضة الفهم. وبالتالي ، فإن التجارب المرئية حيوية لتعزيز التدريس وتعلم الطلاب والبحث. ويمكن استنتاج التصور المعني في الفئات الثلاث التالية: (1) تصور النظريات والمفاهيم والصيغ باستخدام تصميم الخوارزميات وتنفيذها على شبكة الإنترنت، والتي يمكن من خلالها إجراء المحاكاة والتجريب؛ (2) التصور المرئي للخوارزميات القائمة على الويب، والتي يمكن من خلالها إجراء المحاكاة والتجريب؛ (2) التصور المرئي للنظريات والمفاهيم والصيغ باستخدام تصميم وتنفيذ الخوارزميات القائمة على الويب، والتي يمكن من خلالها إجراء المحاكاة والتجريب؛ (2) التصور المرئي والصيغ باستخدام الخوارزمية القائمة على الويب وتنفيذها، والتي يمكن من خلالها إجراء المحاكاة والتجريب؛ (2) التصور المرئي مع تصميم الخوارزميات وتنفيذها على (2) تصور العملية التجريبية باستخدام أجهزة اختبار افتراضية ثلاثية الأبعاد ؛ (3) تصور التحكم والمراقبة باستخدام الحاجيات مثل الرسم البياني وأداة الكاميرا.
Protocol
Representative Results
Discussion
يصف البروتوكول المقدم نظام مختبر هجين عبر الإنترنت يدمج منصات الاختبار المادية للتجريب عن بعد ومنصات الاختبار الافتراضية 3-D للتجريب الافتراضي. يتم توفير العديد من مكتبات الكتل المختلفة لعملية تصميم الخوارزمية ، مثل العناصر الكهربائية للتصميم القائم على الدائرة. يمكن للمستخدمين من خلفي?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين بموجب منحة 62103308 ، 62173255 المنح ، 62073247 المنح ، ومنحة 61773144.
Materials
| Fan speed control system | / | / | Made by our team |
| https://www.powersim.whu.edu.cn/react | Made by our team |
References
- De Jong, T., Linn, M. C., Zacharia, Z. C. Physical and virtual laboratories in science and engineering education. Science. 340 (6130), 305-308 (2013).
- Galan, D., et al. Safe experimentation in optical levitation of charged droplets using remote labs. Journal of Visualized Experiments:JoVE. (143), e58699 (2019).
- Heradio, R., de la Torre, L., Dormido, S. Virtual and remote labs in control education: A survey. Annual Reviews in Control. 42, 1-10 (2016).
- Lei, Z., et al. 3-D interactive control laboratory for classroom demonstration and online experimentation in engineering education. IEEE Transactions on Education. 64 (3), 276-282 (2021).
- Galan, D., Chaos, D., De La Torre, L., Aranda-Escolastico, E., Heradio, R. Customized online laboratory experiments: A general tool and its application to the Furuta inverted pendulum. IEEE Control Systems Magazine. 39 (5), 75-87 (2019).
- Lei, Z., Zhou, H., Hu, W., Liu, G. -. P. Unified and flexible online experimental framework for control engineering education. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 69 (1), 835-844 (2022).
- Zaman, M. A., Neustock, L. T., Hesselink, L. iLabs as an online laboratory platform: A case study at Stanford University during the COVID-19 Pandemic. 2021 IEEE Global Engineering Education Conference (EDUCON). , 1615-1623 (2021).
- Gomes, L., Bogosyan, S. Current trends in remote laboratories. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 56 (12), 4744-4756 (2009).
- Santana, I., Ferre, M., Izaguirre, E., Aracil, R., Hernandez, L. Remote laboratories for education and research purposes in automatic control systems. IEEE Transactions on Industrial Informatics. 9 (1), 547-556 (2013).
- Maiti, A., Raza, A., Kang, B. H. Teaching embedded systems and internet of things supported by multi-purpose multi-objective remote laboratories. IEEE Transactions on Learning Technologies. 14 (4), 526-539 (2021).
- Lei, Z., et al. Unified 3-D interactive human-centered system for online experimentation: Current deployment and future perspectives. IEEE Transactions on Industrial Informatics. 17 (7), 4777-4787 (2021).
- Love, J. First order systems. Process Automation Handbook: A Guide to Theory and Practice. , 571-574 (2007).
- Hu, W., Zhou, H., Liu, Z. W., Zhong, L. Web-based 3D interactive virtual control laboratory based on NCSLab framework. International Journal of Online Engineering. 10 (6), 10-18 (2014).
- Han, J. From PID to active disturbance rejection control. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 56 (3), 900-906 (2009).
- De Keyser, R., Muresan, C. I. Internal model control: Efficient disturbance rejection for dead-time process models with validation on an active suspension system. 2020 European Control Conference (ECC). , 106-111 (2020).
- Horn, I. G., Arulandu, J. R., Gombas, C. J., VanAntwerp, J. G., Braatz, R. D. Improved filter design in internal model control. Industrial & Engineering Chemistry Research. 35 (10), 3437-3441 (1996).
