制御工学教育に応用されたオンラインバーチャルリアリティネットワーク制御実験室

インターネットの進歩とモバイルデバイスの人気に伴い、オンライン教育の需要が高まっています¹。特に、流行が蔓延している時期には、従来の教育機関は対面式の指導を効果的に行う上で課題に直面することが多く、これは重要な教育的アプローチとしてのオンライン教育の重要性を浮き彫りにしています²。理論コースは、オンラインプラットフォームに比較的簡単に移行できます。これらは、リモートビデオ会議ソフトウェアや大規模公開オンラインコース(MOOC⁾³などのツールを使用して実施できます。しかし、実践的なコースでは、従来の研究室で実践的な実験を行う必要があるため、より大きな課題に直面しています。

研究者は、実験装置をオンラインで利用できるようにするという課題に取り組むために多大な貢献をしてきました。過去20年間にわたり、オンラインラボ^4,5の概念と技術について広範な研究が行われてきました。オンラインラボには、通常、リモートラボ⁶、バーチャルラボ⁷、およびハイブリッドラボ⁸が含まれます。これらのオンラインラボアプローチは、制御工学⁹、機械工学¹⁰、ソフトウェア工学¹¹など、さまざまな工学分野で広く応用されています。

オンラインラボ¹²での実験操作の利便性の点では大きな進歩が見られましたが、ユーザーは従来のラボ環境と比較して、リアリズムや同様の実践的な操作が不足していると依然として感じており、これが全体的なエクスペリエンス¹³に影響を与えています。このユーザーエクスペリエンスの不一致は、オンラインラボ環境でのリアリズムとエンゲージメントを強化するためのさらなる研究開発の取り組みを動機付けています。

上記の問題を解決するために、バーチャルリアリティ(VR)技術がバーチャルラボ¹⁴ に適用され、バーチャルラボ¹⁵の没入感と双方向性が向上した。VRベースのバーチャルラボは、ユーザーに現実に近い実験体験を提供します。ユーザーは、^{アバター16}を通じて建築教育プロセスのグループ課題を完了することができ、従来の教室環境と同じように、建築測量プロセスを没入型で一緒に実行できます。さらに、VRベースの仮想実験室は、ユーザーが仮想実験室の没入型環境に入り、VRヘッドセットとハンドル¹⁷を装着して仮想実験装置と対話することを可能にし、ユーザーの実践能力¹⁸を向上させる。さまざまな教育目的のために、さまざまな仮想環境を設計できます。例えば、VRをゲーミフィケーション理論と組み合わせることで、一般市民向けの工学教育を充実させ、持続可能な開発などの理解しにくい知識の普及効率を向上させることができる¹⁹。

オンラインラボ、特にバーチャルラボと同様に、WebVRベースのバーチャルラボには多くの利点があります。まず、従来の実験室の時間とスペースの制限を打ち破り、ユーザーはいつでもどこでも実験を行うことができます²⁰。第二に、オンラインラボは、実験操作²¹で起こりうる危険や事故を回避するために、より安全な実験環境を提供できる。第三に、仮想実験室は、ユーザーの実験範囲と経験を拡大するために、より多くの実験リソースとシミュレーション状況を提供することもできます²²。最も重要なことは、WebVRベースの仮想実験室は、ユーザーの学習関心とイニシアチブを刺激し、実験経験と参加を向上させることができる^{ということである23}。

他のVRベースのバーチャルラボと比較して、WebVRベースのバーチャルラボは、VRベースのバーチャルラボとWebベースのオンラインラボのメリットをシームレスに組み合わせています。Virtual Instrument Systems in Reality(VISIR)²⁴ は、実際の回路基板を構築することにより、基本的なアナログ電子リモートラボを構築します。ユーザーは、Webインターフェースでシミュレートされた実験を実行して、実際の回路基板の実験を完了することができます。Weblab-Deusto⁸ は、ユーザーが他のプラグインに頼らずにWebプラットフォーム内の水タンクの3次元(3D)モデルを操作できる、水タンクField Programmable Gate Array(FPGA)ラボを構築します。このホワイトペーパーで提案されているシステムは、WebVRをモジュラーコンポーネントとして既存の仮想ラボインフラストラクチャにシームレスに統合する機能を導入しています。この統合は、実験室の元の建築フレームワークを破壊することなく達成できるため、実験室の基本構造と機能が維持されます。この統合は、フロントエンドとバックエンドが分離されたオンラインラボのフレームワークにも適用できます。

本稿で提案するシステムは、NCSLabシステムの柔軟性、双方向性、モジュール性、およびクロスプラットフォーム機能を継承したNetworked Control System Laboratory(NCSLab)²⁵に基づいて実装されています。ユーザーは、さまざまなモジュールに従って実験を行うことができ、アルゴリズムや設定インターフェースをカスタマイズすることもでき、自己実現のための十分なスペースをユーザーに提供できます。オンライン実験は、ユーザーが実行したアルゴリズムに従ってリアルタイムで実行されます。ユーザーは、VR実験を行う際に仮想モデルと対話して実験アルゴリズムの入力を変更したり、コンポーネントを介して制御アルゴリズムのパラメータを変更したりできるため、ユーザーは制御アルゴリズムの原理をよりリアルに体験できます。

WebVRベースの仮想実験室は、オンライン教育に大きな可能性をもたらします。没入型の実験体験を提供し、従来の実験室の限界を克服し、ユーザー間で実践的な実践スキルと革新的な思考を促進することができます。