مختبر التحكم الشبكي للواقع الافتراضي عبر الإنترنت المطبق في تعليم هندسة التحكم
Summary
تصف هذه الدراسة نظام مختبر الواقع الافتراضي عبر الإنترنت (VR) المستند إلى WebVR والذي يوفر للمستخدمين إمكانات تجريبية غامرة وتفاعلية تدعمها أجهزة الواقع الافتراضي. لا يساعد النظام المقترح على تعزيز واقعية مشاركة المستخدم في التجارب عبر الإنترنت فحسب ، بل ينطبق أيضا على مجموعة واسعة من أطر المختبرات عبر الإنترنت.
Abstract
تلعب المختبرات عبر الإنترنت دورا مهما في التعليم الهندسي. يناقش هذا العمل نظام مختبر افتراضي قائم على WebVR. يدخل المستخدم بيئة المختبر المحاكية من خلال جهاز الواقع الافتراضي (VR) ويتفاعل مع المعدات التجريبية ، على غرار التجارب العملية في المختبر الفيزيائي. بالإضافة إلى ذلك ، يسمح النظام المقترح للمستخدمين بتصميم خوارزميات التحكم الخاصة بهم ومراقبة تأثيرات معلمات التحكم المختلفة لتعزيز فهمهم للتجربة. لتوضيح ميزات المختبر الافتراضي المقترح ، يتم تقديم مثال في هذه الورقة ، وهو تجربة على نظام البندول المقلوب المزدوج. تظهر النتائج التجريبية أن النظام المقترح يسمح للمستخدمين بإجراء التجارب بطريقة غامرة وتفاعلية ويوفر للمستخدمين عملية تجريبية كاملة من التصميم الرئيسي إلى التشغيل التجريبي. يتم توفير حل أيضا لتغيير أي مختبر افتراضي إلى مختبر افتراضي قائم على WebVR للتعليم والتدريب.
Introduction
مع تقدم الإنترنت وشعبية الأجهزة المحمولة ، يتزايد الطلب على التعليم عبر الإنترنت1. على وجه الخصوص ، خلال فترات انتشار الأوبئة على نطاق واسع ، غالبا ما تواجه المؤسسات التعليمية التقليدية تحديات في إجراء التدريس الشخصي بشكل فعال ، مما يسلط الضوء على أهمية التعليم عبر الإنترنت كنهج تربوي مهم2. من السهل نسبيا نقل الدورات النظرية إلى المنصات عبر الإنترنت. يمكن إجراؤها بمساعدة أدوات مثل برامج مؤتمرات الفيديو عن بعد والدورات التدريبية الضخمة المفتوحة عبر الإنترنت (MOOCs)3. ومع ذلك ، تواجه الدورات العملية تحديات أكبر لأنها تتطلب من المستخدمين إجراء تجارب عملية في المختبرات التقليدية.
قدم الباحثون مساهمات كبيرة في مواجهة التحدي المتمثل في إتاحة المعدات التجريبية عبر الإنترنت. على مدى العقدين الماضيين ، أجريت دراسات مكثفة حول مفاهيم وتقنيات المختبرات عبر الإنترنت 4,5. تشمل المختبرات عبر الإنترنت عادة المختبرات البعيدة6 والمختبرات الافتراضية7 والمختبرات الهجينة8. وجدت هذه الأساليب المختبرية عبر الإنترنت تطبيقا واسع النطاق في مختلف التخصصات الهندسية ، بما في ذلك هندسة التحكم9 والهندسة الميكانيكية10 وهندسة البرمجيات11.
في حين تم إحراز تقدم كبير من حيث ملاءمة العمليات التجريبية في المختبرات عبر الإنترنت12 ، لا يزال المستخدمون يرون نقصا في الواقعية والعمليات العملية المماثلة مقارنة ببيئات المختبرات التقليدية ، مما يؤثر على تجربتهم الإجمالية13. يحفز هذا التناقض في تجربة المستخدم المزيد من جهود البحث والتطوير لتعزيز الواقعية والمشاركة في بيئات المختبرات عبر الإنترنت.
لحل المشاكل المذكورة أعلاه ، تم تطبيق تقنية الواقع الافتراضي (VR) في المختبرات الافتراضية14 لتحسين الانغماس والتفاعل في المختبرات الافتراضية15. توفر المختبرات الافتراضية القائمة على الواقع الافتراضي للمستخدمين تجربة تجريبية قريبة من الواقعية. يمكن للمستخدمين إكمال المهام الجماعية في عملية التعليم المعماري من خلال الصور الرمزية16 ، وإجراء عملية المسح المعماري معا بشكل غامر ، تماما كما يفعلون في بيئة الفصل الدراسي التقليدية. علاوة على ذلك ، تسمح المختبرات الافتراضية القائمة على الواقع الافتراضي للمستخدمين بالدخول إلى البيئة الغامرة للمختبرات الافتراضية والتفاعل مع المعدات التجريبية الافتراضية من خلال ارتداء سماعات رأس VR ومقابض17 ، مما يحسن قدرات المستخدمين العملية18. لأغراض تعليمية مختلفة ، يمكننا تصميم بيئات افتراضية مختلفة. على سبيل المثال ، يمكن دمج الواقع الافتراضي مع نظرية التلعيب لتعزيز التعليم الهندسي لعامة الناس وتحسين كفاءة نشر المعرفة التي يصعب فهمها مثل التنمية المستدامة19.
على غرار المختبرات عبر الإنترنت ، وخاصة المختبرات الافتراضية ، تتمتع المختبرات الافتراضية القائمة على WebVR بالعديد من المزايا. أولا ، يخترقون قيود الزمان والمكان للمختبرات التقليدية ، ويمكن للمستخدمين إجراء التجارب في أي وقت وفي أي مكان20. ثانيا ، يمكن للمختبرات عبر الإنترنت توفير بيئة تجريبية أكثر أمانا لتجنب الأخطار والحوادث المحتملة في العمليات التجريبية21. ثالثا ، يمكن للمختبرات الافتراضية أيضا توفير المزيد من الموارد التجريبية وحالات المحاكاة لتوسيع النطاق التجريبي للمستخدمين وتجربتهم22. الأهم من ذلك ، يمكن للمختبرات الافتراضية القائمة على WebVR تحفيز اهتمام المستخدمين بالتعلم ومبادرتهم وتعزيز تجربتهم التجريبية ومشاركتهم23.
بالمقارنة مع المختبرات الافتراضية الأخرى القائمة على الواقع الافتراضي ، يجمع المختبر الافتراضي المستند إلى WebVR بسلاسة بين مزايا المختبرات الافتراضية القائمة على الواقع الافتراضي والمختبرات عبر الإنترنت المستندة إلى الويب. تقوم أنظمة الأجهزة الافتراضية في الواقع (VISIR)24 ببناء مختبر إلكتروني تمثيلي أساسي عن بعد من خلال بناء لوحات دوائر حقيقية. يمكن للمستخدمين إجراء تجارب محاكاة على واجهة الويب لإكمال تجارب لوحة الدوائر الحقيقية. يبني Weblab-Deusto8 مختبر مصفوفة البوابة القابلة للبرمجة الميدانية لخزان المياه (FPGA) حيث يمكن للمستخدمين التفاعل مع النموذج ثلاثي الأبعاد (3D) لخزان المياه في منصة الويب دون الاعتماد على المكونات الإضافية الأخرى. يقدم النظام المقترح في هذه الورقة القدرة على دمج WebVR بسلاسة كمكون معياري في البنية التحتية للمختبر الافتراضي الحالي. يمكن تحقيق هذا التكامل دون تدمير الإطار المعماري الأصلي للمختبر ، وبالتالي الحفاظ على الهيكل الأساسي للمختبر ووظيفته. ينطبق هذا التكامل أيضا على إطار مختبر عبر الإنترنت مع واجهة أمامية وخلفية منفصلة.
يتم تنفيذ النظام المقترح في هذه الورقة على أساس مختبر نظام التحكم الشبكي (NCSLab) 25 ، الذي يرث المرونة والتفاعل والنمطية والميزات عبر الأنظمة الأساسية لنظام NCSLab. يمكن للمستخدمين إجراء تجارب وفقا لوحدات مختلفة ويمكنهم أيضا تخصيص الخوارزميات وواجهات التكوين ، مما يوفر للمستخدمين مساحة كافية لتحقيق الذات. يتم إجراء التجارب عبر الإنترنت في الوقت الفعلي وفقا للخوارزميات التي يديرها المستخدم. يمكن للمستخدمين التفاعل مع النموذج الافتراضي لتغيير مدخلات الخوارزمية التجريبية عند إجراء تجارب الواقع الافتراضي ويمكنهم حتى تغيير معلمات خوارزمية التحكم من خلال المكونات حتى يتمكن المستخدمون من تجربة مبدأ خوارزمية التحكم بشكل أكثر واقعية.
توفر المختبرات الافتراضية القائمة على WebVR إمكانات كبيرة للتعليم عبر الإنترنت. يمكن أن يوفر تجربة تجريبية غامرة ، والتغلب على قيود المختبرات التقليدية ، وتعزيز المهارات العملية العملية والتفكير الإبداعي بين المستخدمين.
Protocol
Representative Results
Discussion
يصف البروتوكول المقدم نظام مختبر افتراضي يمكن المستخدمين من إجراء تجارب الواقع الافتراضي عبر الإنترنت ولكنه يستخدم أيضا وحدة تحكم كمبيوتر منخفضة التكلفة28 ، مما يؤدي إلى الترويج للتطبيقات على نطاق واسع. يمكن للمستخدمين اكتساب المعرفة حول العملية التجريبية بأكملها ، من المب?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل جزئيا من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين بموجب منحة 62103308 ومنحة 62073247 ، جزئيا من قبل صناديق البحوث الأساسية للجامعات المركزية بموجب المنحة 2042023kf0095 ، جزئيا من قبل مؤسسة علوم ما بعد الدكتوراه الصينية بموجب المنحة 2022T150496 ، وجزئيا من قبل تمويل مشروع تكنولوجيا التجارب بجامعة ووهان بموجب منحة WHU-2022-SYJS-10.
Materials
| 3DS Max | Autodesk | 3ds Max professional 3D modeling, rendering, and animation software enables you to create expansive worlds and premium designs. https://www.autodesk.com/ca-en/products/3ds-max/overview |
|
| Meta Quest 2 | Meta Platforms | 10036728220341 | meta quest 2 is a standalone virtual reality headset that allows users to experience WebVR content. https://www.meta.com/it/quest/products/quest-2/ |
| Unity | Unity Technologies | Unity is the platform for real-time 3D interactive content creation and operation. All creators, including game developers, artists, architects, automotive designers, film and television, use Unity to bring their ideas to life. The Unity platform offers a complete suite of software solutions for creating, operating, and realizing any real-time interactive 2D and 3D content on cell phones, tablets, PCs, game consoles, augmented reality, and virtual reality devices. https://unity.com/cn |
References
- Martin, F., Sun, T., Westine, C. D. A systematic review of research on online teaching and learning from 2009 to 2018. Comput Educ. 159, 104009 (2020).
- Al-Nsour, R., Alkhasawneh, R., Alqudah, S. Online engineering education: Laboratories during the pandemic – A case study. 2022 Intermountain Eng, Tech Comp. , 1-4 (2022).
- Chirikov, I., Semenova, T., Maloshonok, N., Bettinger, E., Kizilcec, R. F. Online education platforms scale college stem instruction with equivalent learning outcomes at lower cost. Sci Adv. 6 (15), (2020).
- Gamage, K. A. A., et al. Online delivery of teaching and laboratory practices: continuity of university programmes during covid-19 pandemic. Educ Sci. 10 (10), 291 (2020).
- Kefalis, C., Drigas, A. Web based and online applications in stem education. Int J Eng Pedagogy. 9 (4), 76-85 (2019).
- Maiti, A., et al. A framework for analyzing and evaluating architectures and control strategies in distributed remote laboratories. IEEE Trans Learn Technol. 11 (4), 441-455 (2018).
- Liang, Y., Liu, G. Design of large scale virtual equipment for interactive hil control system laboratories. IEEE Trans Learn Technol. 11 (3), 376-388 (2018).
- Rodriguez-Gil, L., Garcia-Zubia, J., Orduna, P., Lopez-De-Ipina, D. Towards new multiplatform hybrid online laboratory models. IEEE Trans Learn Technol. 10 (3), 318-330 (2017).
- Chevalier, A., Copot, C., Ionescu, C., De Keyser, R. A three-year feedback study of a remote laboratory used in control engineering studies. IEEE Trans Educ. 60 (2), 127-133 (2017).
- Wang, N., et al. A novel wiki-based remote laboratory platform for engineering education. IEEE Trans Learn Technol. 10 (3), 331-341 (2017).
- Cruz-Benito, J., et al. Usalpharma: a software architecture to support learning in virtual worlds. IEEE Revista Iberoamericana De Tecnologias Del Aprendizaje. 11 (3), 194-204 (2016).
- Letowski, B., Lavayssière, C., Larroque, B., Schröder, M., Luthon, F. A fully open source remote laboratory for practical learning. Electronics. 9 (11), 1832 (2020).
- Potkonjak, V., et al. Virtual laboratories for education in science, technology, and engineering: a review. Comput Educ. 95, 309-327 (2016).
- Rukangu, A., Tuttle, A., Johnsen, K. Virtual reality for remote controlled robotics in engineering education. IEEE Conference on Virtual Reality and 3D User Interfaces Abstracts and Workshops (VRW). , 751-752 (2021).
- Sermet, Y., Demir, I. Geospatialvr: a web-based virtual reality framework for collaborative environmental simulations. Comput Geosci. 159, 105010 (2022).
- zacar, K., Ortakcı, Y., Küçükkara, M. Y. VRArchEducation: Redesigning building survey process in architectural education using collaborative virtual reality. Comp Graph. 113, 1-9 (2023).
- Li, Y., Lei, Z., He, Y., Liu, Z. A virtual simulation experiment of mechanics: material deformation and failure based on scanning electron microscopy. J Vis Exp. (191), e64521 (2023).
- Alsaleh, S., Tepljakov, A., Kose, A., Belikov, J., Petlenkov, E. Reimagine lab: bridging the gap between hands-on, virtual and remote control engineering laboratories using digital twins and extended reality. IEEE Access. 10, 89924-89943 (2022).
- Han, B., Weeks, D. J., Leite, F. Virtual reality-facilitated engineering education: A case study on sustainable systems knowledge. Comput Appl Eng Educ. 31 (5), 1174-1189 (2023).
- Lei, Z., Zhou, H., Hu, W., Liu, G. Concurrent experimentation in ncslab: a scalable approach for online laboratories. Fut Gen Comp Sys. (148), 139-149 (2023).
- Li, W., Huang, H., Solomon, T., Esmaeili, B., Yu, L. Synthesizing personalized construction safety training scenarios for vr training. IEEE Trans Vis Comput Graph. 28 (5), 1993-2002 (2022).
- Zhang, Y., et al. Virtual simulation system of paste filling for green mining of metallic mine. 2020 International Conference on Virtual Reality and Visualization. , 256-257 (2020).
- Callaghan, M. J., Mccusker, K., Losada, J. L., Harkin, J., Wilson, S. Using game-based learning in virtual worlds to teach electronic and electrical engineering. IEEE Trans Industr Inform. 9 (1), 575-584 (2013).
- Garcia-Zubia, J., et al. Empirical analysis of the use of the VISIR remote lab in teaching analog electronics. IEEE T EDUC. 60 (2), 149-156 (2017).
- Lei, Z., Zhou, H., Hu, W., Liu, G. Unified and flexible online experimental framework for control engineering education. IEEE T Ind Electron. 69 (1), 835-844 (2022).
- 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 [focus on education. IEEE Cont Sys. 39 (5), 75-87 (2019).
- Lei, Z., Zhou, H., Hu, W., Liu, G., Guan, S. Web-based digital twin communication system of power systems for training and education. IEEE T Pow Syst. , (2023).
- Lei, Z., Zhou, H., Hu, W., Liu, G. Controller effect in online laboratories-An overview. IEEE Trans. Learn. Technol. 17, 1-12 (2024).
- Liu, Y., et al. Virtual reality system for industrial training. 2020 International Conference on Virtual Reality and Visualization. , 338-339 (2020).
- Lei, Z., et al. Interactive and visualized online experimentation system for engineering education and research. J Vis Exp. (177), e63342 (2021).
