Online Virtual Reality Genetwerkt Controlelaboratorium dat in het Onderwijs van de Controletechniek wordt toegepast
Summary
Deze studie beschrijft een op WebVR gebaseerd online virtual reality (VR) laboratoriumsysteem dat gebruikers meeslepende en interactieve experimenteermogelijkheden biedt die worden ondersteund door VR-apparaten. Het voorgestelde systeem helpt niet alleen om het realisme van gebruikersparticipatie aan online experimenten te vergroten, maar is ook toepasbaar op een breed scala aan online laboratoriumframeworks.
Abstract
Online laboratoria spelen een belangrijke rol in het technisch onderwijs. Dit werk bespreekt een op WebVR gebaseerd virtueel laboratoriumsysteem. De gebruiker betreedt de gesimuleerde laboratoriumomgeving via een virtual reality (VR)-apparaat en interageert met de experimentele apparatuur, vergelijkbaar met hands-on experimenten in een fysiek laboratorium. Bovendien stelt het voorgestelde systeem gebruikers in staat om hun eigen controlealgoritmen te ontwerpen en de effecten van verschillende controleparameters te observeren om hun begrip van het experiment te vergroten. Om de kenmerken van het voorgestelde virtuele laboratorium te illustreren, wordt in dit artikel een voorbeeld gegeven, namelijk een experiment met een dubbel omgekeerd slingersysteem. De experimentele resultaten tonen aan dat het voorgestelde systeem gebruikers in staat stelt experimenten uit te voeren op een meeslepende en interactieve manier en gebruikers een volledig experimenteel proces biedt, van hoofdontwerp tot experimentele werking. Er wordt ook een oplossing geboden om elk virtueel laboratorium te veranderen in een op WebVR gebaseerd virtueel laboratorium voor onderwijs en training.
Introduction
Met de opmars van internet en de populariteit van mobiele apparaten neemt de vraag naar online onderwijs toe1. Met name tijdens perioden van wijdverbreide epidemieën worden traditionele onderwijsinstellingen vaak geconfronteerd met uitdagingen bij het effectief geven van persoonlijk onderwijs, wat het belang van online onderwijs als een belangrijke pedagogische benadering benadrukt2. Theoretische cursussen zijn relatief eenvoudig over te zetten naar online platforms. Ze kunnen worden uitgevoerd met behulp van hulpmiddelen zoals software voor videoconferenties op afstand en open onlinecursussen voor een groot publiek (MOOC’s)3. Praktijkcursussen staan echter voor grotere uitdagingen, omdat gebruikers hands-on experimenten moeten uitvoeren in traditionele laboratoria.
Onderzoekers hebben een belangrijke bijdrage geleverd aan het aanpakken van de uitdaging om experimentele apparatuur online beschikbaar te maken. In de afgelopen twee decennia zijn er uitgebreide onderzoeken uitgevoerd naar de concepten en technologieën van online laboratoria 4,5. Online laboratoria omvatten doorgaans externe laboratoria6, virtuele laboratoria7 en hybride laboratoria8. Deze online laboratoriumbenaderingen hebben een wijdverbreide toepassing gevonden in verschillende technische disciplines, waaronder regeltechniek9, werktuigbouwkunde10 en software-engineering11.
Hoewel er aanzienlijke vooruitgang is geboekt op het gebied van het gemak van experimentele operaties in online laboratoria12, ervaren gebruikers nog steeds een gebrek aan realisme en vergelijkbare hands-on praktische operaties in vergelijking met traditionele laboratoriumomgevingen, wat van invloed is op hun algehele ervaring13. Deze discrepantie in gebruikerservaring motiveert verdere onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen om het realisme en de betrokkenheid in online laboratoriumomgevingen te verbeteren.
Om de bovenstaande problemen op te lossen, is virtual reality (VR)-technologie toegepast in virtuele laboratoria14 om de immersiviteit en interactiviteit van virtuele laboratoriate verbeteren 15. Op VR gebaseerde virtuele laboratoria bieden gebruikers een bijna realistische experimentele ervaring. Gebruikers kunnen via avatars16 groepsopdrachten voltooien in het architectuuronderwijsproces, waarbij ze het architectuurmeetproces samen meeslepend uitvoeren, net zoals ze dat zouden doen in een traditionele klasomgeving. Bovendien stellen de op VR gebaseerde virtuele laboratoria gebruikers in staat om de meeslepende omgeving van virtuele laboratoria te betreden en te interageren met virtuele experimentele apparatuur door VR-headsets en handvattente dragen 17, waardoor de praktische vaardigheden van gebruikers worden verbeterd18. Voor verschillende educatieve doeleinden kunnen we verschillende virtuele omgevingen ontwerpen. VR kan bijvoorbeeld worden gecombineerd met de gamification-theorie om het ingenieursonderwijs voor het grote publiek te verbeteren en om de efficiëntie van het verspreiden van moeilijk te begrijpen kennis, zoals duurzame ontwikkeling, te verbeteren19.
Net als online laboratoria, met name virtuele laboratoria, hebben op WebVR gebaseerde virtuele laboratoria veel voordelen. Ten eerste doorbreken ze de tijd- en ruimtebeperkingen van traditionele laboratoria en kunnen gebruikers altijd en overal experimenten uitvoeren20. Ten tweede kunnen online laboratoria een veiligere experimentele omgeving bieden om mogelijke gevaren en ongevallen bij experimentele operaties te voorkomen21. Ten derde kunnen virtuele laboratoria ook meer experimentele middelen en simulatiesituaties bieden om de experimentele reikwijdte en ervaring van gebruikers uit te breiden22. Het belangrijkste is dat op WebVR gebaseerde virtuele laboratoria de leerinteresse en het initiatief van gebruikers kunnen stimuleren en hun experimentele ervaring en deelname kunnen verbeteren23.
Vergeleken met andere op VR gebaseerde virtuele laboratoria, combineert een op WebVR gebaseerd virtueel laboratorium naadloos de voordelen van op VR gebaseerde virtuele laboratoria met webgebaseerde online laboratoria. Virtual Instrument Systems in Reality (VISIR)24 bouwt een eenvoudig analoog elektronisch laboratorium op afstand door echte printplaten te bouwen. Gebruikers kunnen gesimuleerde experimenten uitvoeren op de webinterface om echte printplaatexperimenten te voltooien. Weblab-Deusto8 bouwt het Field Programmable Gate Array (FPGA) laboratorium voor watertanks, waar gebruikers kunnen communiceren met het driedimensionale (3D) model van de watertank in het webplatform zonder afhankelijk te zijn van andere plug-ins. Het systeem dat in dit document wordt voorgesteld, introduceert de mogelijkheid om WebVR naadloos te integreren als een modulaire component in de bestaande virtuele laboratoriuminfrastructuur. Deze integratie kan worden bereikt zonder het oorspronkelijke architecturale kader van het laboratorium te vernietigen, waardoor de basisstructuur en -functie van het laboratorium behouden blijven. Deze integratie is ook van toepassing op het raamwerk van een online laboratorium met aparte front-end en back-end.
Het systeem dat in dit document wordt voorgesteld, is geïmplementeerd op basis van het Networked Control System Laboratory (NCSLab)25, dat de flexibiliteit, interactiviteit, modulariteit en platformonafhankelijke functies van het NCSLab-systeem overneemt. Gebruikers kunnen experimenten uitvoeren volgens verschillende modules en kunnen ook algoritmen en configuratie-interfaces aanpassen, waardoor gebruikers voldoende ruimte hebben voor zelfrealisatie. Online experimenten worden in real-time aangestuurd volgens de algoritmen die door de gebruiker worden uitgevoerd. Gebruikers kunnen communiceren met het virtuele model om de invoer van het experimentele algoritme te wijzigen bij het uitvoeren van VR-experimenten en kunnen zelfs de parameters van het besturingsalgoritme wijzigen via de componenten, zodat gebruikers het principe van het besturingsalgoritme realistischer kunnen ervaren.
Op WebVR gebaseerde virtuele laboratoria bieden een groot potentieel voor online onderwijs. Het kan een meeslepende experimentele ervaring bieden, de beperkingen van traditionele laboratoria overwinnen en praktische praktische vaardigheden en innovatief denken bij gebruikers bevorderen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het gepresenteerde protocol beschrijft een virtueel laboratoriumsysteem dat gebruikers in staat stelt VR-experimenten online uit te voeren, maar maakt ook gebruik van een goedkope pc-controller28, wat bevorderlijk is voor grootschalige promotie van toepassingen. Gebruikers kunnen kennis opdoen over het hele experimentele proces, van principes en algoritmen tot praktische experimentele operaties. Dit systeem stelt gebruikers in staat om zich onder te dompelen in de experimenten, waardoor ze niet me…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door de National Natural Science Foundation of China onder Grant 62103308 en Grant 62073247, deels door de Fundamental Research Funds for the Central Universities onder Grant 2042023kf0095, deels door de China Postdoctoral Science Foundation onder Grant 2022T150496, en deels door Wuhan University Experiment Technology Project Funding onder Grant 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).
