מעבדת בקרה מקוונת ברשת מציאות מדומה מיושמת בחינוך להנדסת בקרה
Summary
מחקר זה מתאר מערכת מעבדה מקוונת מבוססת WebVR המספקת למשתמשים יכולות ניסוי סוחפות ואינטראקטיביות הנתמכות על ידי מכשירי VR. המערכת המוצעת לא רק מסייעת לשפר את הריאליזם של השתתפות המשתמשים בניסויים מקוונים, אלא גם ישימה למגוון רחב של מסגרות מעבדה מקוונות.
Abstract
מעבדות מקוונות ממלאות תפקיד חשוב בחינוך הנדסי. עבודה זו דנה במערכת מעבדה וירטואלית מבוססת WebVR. המשתמש נכנס לסביבת המעבדה המדומה באמצעות מכשיר מציאות מדומה (VR) ומתקשר עם ציוד הניסוי, בדומה לניסויים מעשיים במעבדה פיזית. בנוסף, המערכת המוצעת מאפשרת למשתמשים לתכנן אלגוריתמי בקרה משלהם ולבחון את ההשפעות של פרמטרי בקרה שונים כדי לשפר את הבנתם את הניסוי. כדי להמחיש את התכונות של המעבדה הווירטואלית המוצעת, מובאת דוגמה במאמר זה, שהוא ניסוי על מערכת מטוטלת הפוכה כפולה. תוצאות הניסוי מראות כי המערכת המוצעת מאפשרת למשתמשים לבצע ניסויים באופן אימרסיבי ואינטראקטיבי ומספקת למשתמשים תהליך ניסויי שלם מהתכנון הראשי ועד לתפעול הניסוי. כמו כן, ניתן פתרון להפיכת כל מעבדה וירטואלית למעבדה וירטואלית מבוססת WebVR לחינוך והכשרה.
Introduction
עם התקדמות האינטרנט ואת הפופולריות של מכשירים ניידים, הביקוש לחינוך מקוון גדל1. בפרט, בתקופות של מגיפות נרחבות, מוסדות חינוך מסורתיים מתמודדים לעתים קרובות עם אתגרים בניהול הוראה אישית יעילה, מה שמדגיש את החשיבות של חינוך מקוון כגישה פדגוגית חשובה2. קורסים תיאורטיים קלים יחסית להעברה לפלטפורמות מקוונות. הם יכולים להתבצע בעזרת כלים כגון תוכנת ועידות וידאו מרחוק וקורסים מקוונים פתוחים מסיביים (MOOCs)3. עם זאת, קורסים מעשיים עומדים בפני אתגרים גדולים יותר מכיוון שהם דורשים מהמשתמשים לבצע ניסויים מעשיים במעבדות מסורתיות.
חוקרים תרמו תרומות משמעותיות להתמודדות עם האתגר של הפיכת ציוד ניסיוני לזמין באינטרנט. במהלך שני העשורים האחרונים נערכו מחקרים מקיפים על המושגים והטכנולוגיות של מעבדות מקוונות 4,5. מעבדות מקוונות כוללות בדרך כלל מעבדות מרוחקות6, מעבדות וירטואליות7 ומעבדות היברידיות8. גישות מעבדה מקוונות אלה מצאו יישום נרחב בתחומי הנדסה שונים, כולל הנדסת בקרה9, הנדסת מכונות10 והנדסת תוכנה11.
בעוד התקדמות משמעותית נעשתה במונחים של הנוחות של פעולות ניסיוניות במעבדות מקוונות12, משתמשים עדיין תופסים חוסר ריאליזם ופעולות מעשיות מעשיות דומות בהשוואה לסביבות מעבדה מסורתיות, אשר משפיע על החוויה הכוללת שלהם13. פער זה בחוויית המשתמש מניע מאמצי מחקר ופיתוח נוספים לשיפור הריאליזם והמעורבות בסביבות מעבדה מקוונות.
כדי לפתור את הבעיות לעיל, טכנולוגיית מציאות מדומה (VR) יושמה במעבדות וירטואליות14 כדי לשפר את immersiveness ואינטראקטיביות של מעבדות וירטואליות15. מעבדות וירטואליות מבוססות VR מספקות למשתמשים חוויה ניסיונית קרובה למציאותית. משתמשים יכולים להשלים משימות קבוצתיות בתהליך החינוך האדריכלי באמצעות אווטארים16, ולבצע את תהליך המדידה האדריכלית יחד באופן סוחף, בדיוק כפי שהיו עושים בסביבת כיתה מסורתית. יתר על כן, המעבדות הווירטואליות מבוססות VR מאפשרות למשתמשים להיכנס לסביבה האימרסיבית של מעבדות וירטואליות ולקיים אינטראקציה עם ציוד ניסיוני וירטואלי על ידי הרכבת משקפי VR וידיות17, מה שמשפר את יכולות הידיים של המשתמשים18. למטרות חינוכיות שונות, אנו יכולים לעצב סביבות וירטואליות שונות. לדוגמה, ניתן לשלב VR עם תורת המשחוק כדי לשפר את החינוך ההנדסי לציבור הרחב ולשפר את היעילות של הפצת ידע קשה להבנה כגון פיתוח בר קיימא19.
בדומה למעבדות מקוונות, במיוחד מעבדות וירטואליות, למעבדות וירטואליות מבוססות WebVR יתרונות רבים. ראשית, הם פורצים את מגבלות הזמן והמרחב של מעבדות מסורתיות, ומשתמשים יכולים לערוך ניסויים בכל זמן ובכל מקום20. שנית, מעבדות מקוונות יכולות לספק סביבת ניסוי בטוחה יותר כדי למנוע סכנות ותאונות אפשריות בפעולות ניסוי21. שלישית, מעבדות וירטואליות יכולות גם לספק יותר משאבי ניסוי ומצבי סימולציה כדי להרחיב את היקף הניסוי והניסיון של המשתמשים22. והכי חשוב, מעבדות וירטואליות מבוססות WebVR יכולות לעורר את עניין הלמידה והיוזמה של המשתמשים ולשפר את החוויה וההשתתפות הניסיונית שלהם23.
בהשוואה למעבדות וירטואליות אחרות מבוססות VR, מעבדה וירטואלית מבוססת WebVR משלבת בצורה חלקה את היתרונות של מעבדות וירטואליות מבוססות VR עם מעבדות מקוונות מבוססות אינטרנט. Virtual Instrument Systems in Reality (VISIR)24 בונה מעבדה אלקטרונית מרחוק אנלוגית בסיסית על ידי בניית מעגלים חשמליים אמיתיים. משתמשים יכולים לבצע ניסויים מדומים בממשק האינטרנט כדי להשלים ניסויים אמיתיים בלוח המעגלים. Weblab-Deusto8 בונה את מעבדת FPGA (Field Programmable Gate Array) שבה משתמשים יכולים לקיים אינטראקציה עם המודל התלת-ממדי (3D) של מיכל המים בפלטפורמת האינטרנט מבלי להסתמך על תוספים אחרים. המערכת המוצעת במאמר זה מציגה את היכולת לשלב בצורה חלקה את WebVR כרכיב מודולרי בתשתית המעבדות הווירטואליות הקיימת. אינטגרציה זו יכולה להיות מושגת מבלי להרוס את המסגרת האדריכלית המקורית של המעבדה, ובכך לשמר את המבנה והתפקוד הבסיסיים של המעבדה. שילוב זה חל גם על מסגרת של מעבדה מקוונת עם קצה קדמי ואחורי נפרדים.
המערכת המוצעת במאמר זה מיושמת בהתבסס על Networked Control System Laboratory (NCSLab)25, היורשת את הגמישות, האינטראקטיביות, המודולריות והתכונות חוצות הפלטפורמות של מערכת NCSLab. משתמשים יכולים לערוך ניסויים על פי מודולים שונים ויכולים גם להתאים אישית אלגוריתמים וממשקי תצורה, לספק למשתמשים מספיק מקום למימוש עצמי. ניסויים מקוונים מונעים בזמן אמת על פי האלגוריתמים המופעלים על ידי המשתמש. משתמשים יכולים לקיים אינטראקציה עם המודל הווירטואלי כדי לשנות את הקלט של האלגוריתם הניסיוני בעת ביצוע ניסויי VR ואף יכולים לשנות את הפרמטרים של אלגוריתם הבקרה דרך הרכיבים, כך שמשתמשים יוכלו לחוות את העיקרון של אלגוריתם הבקרה בצורה מציאותית יותר.
מעבדות וירטואליות מבוססות WebVR מביאות פוטנציאל גדול לחינוך מקוון. זה יכול לספק חוויה ניסיונית immersive, להתגבר על המגבלות של מעבדות מסורתיות, ולקדם ידיים על מיומנויות מעשיות וחשיבה חדשנית בקרב המשתמשים.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקול המוצג מתאר מערכת מעבדה וירטואלית המאפשרת למשתמשים לבצע ניסויי VR באופן מקוון, אך משתמשת גם בבקר מחשב בעלות נמוכה28, התורם לקידום יישומים בקנה מידה גדול. משתמשים יכולים לקבל ידע על כל תהליך הניסוי, החל מעקרונות ואלגוריתמים ועד פעולות ניסוי מעשיות. מערכת זו מאפשרת למשת?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין תחת מענק 62103308 ומענק 62073247, בחלקה על ידי קרנות המחקר הבסיסיות עבור האוניברסיטאות המרכזיות תחת מענק 2042023kf0095, בחלקה על ידי הקרן הסינית למדע פוסט-דוקטורט תחת מענק 2022T150496, ובחלקה על ידי מימון פרויקט טכנולוגיית ניסוי באוניברסיטת ווהאן תחת מענק 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).
