Laboratoire de contrôle en réseau de réalité virtuelle en ligne appliqué à l’enseignement de l’ingénierie de contrôle

Avec les progrès d’Internet et la popularité des appareils mobiles, la demande d’éducation en ligne augmente¹. En particulier, pendant les périodes d’épidémies généralisées, les établissements d’enseignement traditionnels sont souvent confrontés à des difficultés pour dispenser efficacement un enseignement en personne, ce qui souligne l’importance de l’éducation en ligne en tant qu’approche pédagogique importante². Les cours théoriques sont relativement faciles à transférer sur les plateformes en ligne. Elles peuvent être menées à l’aide d’outils tels que les logiciels de vidéoconférence à distance et les cours en ligne ouverts à tous (MOOC)³. Cependant, les cours pratiques sont confrontés à des défis plus importants car ils obligent les utilisateurs à effectuer des expériences pratiques dans des laboratoires traditionnels.

Les chercheurs ont apporté des contributions importantes pour relever le défi de rendre l’équipement expérimental disponible en ligne. Au cours des deux dernières décennies, des études approfondies ont été menées sur les concepts et les technologies des laboratoires en ligne ^4,5. Les laboratoires en ligne englobent généralement les laboratoires distants⁶, les laboratoires virtuels⁷ et les laboratoires hybrides⁸. Ces approches de laboratoire en ligne ont trouvé une large application dans diverses disciplines d’ingénierie, notamment l’ingénierie de contrôle⁹, l’ingénierie mécanique¹⁰ et l’ingénierie logicielle¹¹.

Bien que des progrès significatifs aient été réalisés en termes de commodité des opérations expérimentales dans les laboratoires en ligne¹², les utilisateurs perçoivent toujours un manque de réalisme et des opérations pratiques similaires par rapport aux environnements de laboratoire traditionnels, ce qui affecte leur expérience globale¹³. Cette divergence dans l’expérience utilisateur motive d’autres efforts de recherche et de développement pour améliorer le réalisme et l’engagement dans les environnements de laboratoire en ligne.

Pour résoudre les problèmes ci-dessus, la technologie de réalité virtuelle (VR) a été appliquée dans les laboratoires virtuels¹⁴ afin d’améliorer l’immersion et l’interactivité des laboratoires virtuels¹⁵. Les laboratoires virtuels basés sur la RV offrent aux utilisateurs une expérience expérimentale proche du réalisme. Les utilisateurs peuvent effectuer des devoirs de groupe dans le processus d’enseignement de l’architecture par le biais d’avatars¹⁶, effectuant ensemble le processus d’arpentage architectural de manière immersive, comme ils le feraient dans un environnement de classe traditionnel. De plus, les laboratoires virtuels basés sur la RV permettent aux utilisateurs d’entrer dans l’environnement immersif des laboratoires virtuels et d’interagir avec l’équipement expérimental virtuel en portant des casques et des poignées VR¹⁷, améliorant ainsi les capacités pratiques des utilisateurs¹⁸. À des fins éducatives différentes, nous pouvons concevoir différents environnements virtuels. Par exemple, la RV peut être combinée à la théorie de la gamification pour améliorer l’enseignement de l’ingénierie pour le grand public et pour améliorer l’efficacité de la diffusion de connaissances difficiles à comprendre telles que le développement durable¹⁹.

À l’instar des laboratoires en ligne, en particulier des laboratoires virtuels, les laboratoires virtuels basés sur WebVR présentent de nombreux avantages. Tout d’abord, ils brisent les limites de temps et d’espace des laboratoires traditionnels, et les utilisateurs peuvent mener des expériences à tout moment^{et n’importe} où. Deuxièmement, les laboratoires en ligne peuvent fournir un environnement expérimental plus sûr afin d’éviter d’éventuels dangers et accidents lors des opérations expérimentales²¹. Troisièmement, les laboratoires virtuels peuvent également fournir davantage de ressources expérimentales et de situations de simulation pour étendre la portée et l’expérience expérimentales des utilisateurs²². Plus important encore, les laboratoires virtuels basés sur WebVR peuvent stimuler l’intérêt et l’initiative d’apprentissage des utilisateurs et améliorer leur expérience expérimentale et leur participation²³.

Par rapport à d’autres laboratoires virtuels basés sur la réalité virtuelle, le laboratoire virtuel basé sur WebVR combine de manière transparente les avantages des laboratoires virtuels basés sur la réalité virtuelle avec les laboratoires en ligne basés sur le Web. Virtual Instrument Systems in Reality (VISIR)²⁴ construit un laboratoire électronique analogique à distance de base en construisant de véritables cartes de circuits imprimés. Les utilisateurs peuvent effectuer des expériences simulées sur l’interface Web pour réaliser des expériences réelles sur des circuits imprimés. Weblab-Deusto⁸ construit le laboratoire FPGA (Field Programmable Gate Array) du réservoir d’eau où les utilisateurs peuvent interagir avec le modèle tridimensionnel (3D) du réservoir d’eau dans la plate-forme Web sans dépendre d’autres plug-ins. Le système proposé dans cet article introduit la possibilité d’intégrer de manière transparente WebVR en tant que composant modulaire dans l’infrastructure de laboratoire virtuel existante. Cette intégration peut être réalisée sans détruire le cadre architectural d’origine du laboratoire, préservant ainsi la structure et la fonction de base du laboratoire. Cette intégration s’applique également au cadre d’un laboratoire en ligne avec un front-end et un back-end séparés.

Le système proposé dans cet article est mis en œuvre sur la base du laboratoire de système de contrôle en réseau (NCSLab)²⁵, qui hérite de la flexibilité, de l’interactivité, de la modularité et des caractéristiques multiplateformes du système NCSLab. Les utilisateurs peuvent mener des expériences selon différents modules et peuvent également personnaliser les algorithmes et les interfaces de configuration, offrant aux utilisateurs suffisamment d’espace pour se réaliser. Les expériences en ligne sont pilotées en temps réel selon les algorithmes exécutés par l’utilisateur. Les utilisateurs peuvent interagir avec le modèle virtuel pour modifier les entrées de l’algorithme expérimental lors de la réalisation d’expériences VR et peuvent même modifier les paramètres de l’algorithme de contrôle à travers les composants afin que les utilisateurs puissent expérimenter le principe de l’algorithme de contrôle de manière plus réaliste.

Les laboratoires virtuels basés sur WebVR offrent un grand potentiel pour l’éducation en ligne. Il peut offrir une expérience expérimentale immersive, surmonter les limites des laboratoires traditionnels et promouvoir les compétences pratiques et la pensée innovante chez les utilisateurs.