Kontrol Mühendisliği Eğitiminde Uygulanan Çevrimiçi Sanal Gerçeklik Ağ Tabanlı Kontrol Laboratuvarı

İnternetin ilerlemesi ve mobil cihazların popülerleşmesiyle birlikte çevrimiçi eğitime olan talep artmaktadır¹. Özellikle, yaygın salgın dönemlerinde, geleneksel eğitim kurumları genellikle yüz yüze öğretimi etkili bir şekilde yürütmede zorluklarla karşılaşmaktadır ve bu da çevrimiçi eğitimin önemli bir pedagojik yaklaşım olarak önemini vurgulamaktadır². Teorik derslerin çevrimiçi platformlara aktarılması nispeten kolaydır. Uzaktan video konferans yazılımı ve kitlesel açık çevrimiçi kurslar (MOOC’ler) gibi araçların yardımıyla ^{yürütülebilirler.3}. Bununla birlikte, uygulamalı kurslar, kullanıcıların geleneksel laboratuvarlarda uygulamalı deneyler yapmasını gerektirdiğinden daha büyük zorluklarla karşı karşıyadır.

Araştırmacılar, deneysel ekipmanı çevrimiçi olarak kullanılabilir hale getirme zorluğunun ele alınmasına önemli katkılarda bulundular. Son yirmi yılda, çevrimiçi laboratuvarların ^4,5 kavramları ve teknolojileri üzerine kapsamlı çalışmalar yapılmıştır. Çevrimiçi laboratuvarlar genellikle uzak laboratuvarları⁶, sanal laboratuvarları⁷ ve hibrit laboratuvarları⁸ kapsar. Bu çevrimiçi laboratuvar yaklaşımları, kontrol mühendisliği 9, makine mühendisliği¹⁰ ve yazılım mühendisliği¹¹ dahil olmak üzere çeşitli mühendislik disiplinlerinde yaygın uygulama bulmuştur.

Çevrimiçi laboratuvarlarda deneysel işlemlerin kolaylığı açısından önemli ilerlemeler kaydedilmiş olsa da¹², kullanıcılar hala geleneksel laboratuvar ortamlarına kıyasla gerçekçilik ve benzer uygulamalı pratik işlemlerin eksikliğini algılamakta ve bu da genel deneyimlerini etkilemektedir¹³. Kullanıcı deneyimindeki bu tutarsızlık, çevrimiçi laboratuvar ortamlarında gerçekçiliği ve katılımı artırmak için daha fazla araştırma ve geliştirme çabasını motive ediyor.

Yukarıdaki sorunları çözmek için, sanal laboratuvarların¹⁴ sürükleyiciliğini ve etkileşimini geliştirmek için sanal laboratuvarlarda¹⁵ sanal gerçeklik (VR) teknolojisi uygulanmıştır. VR tabanlı sanal laboratuvarlar, kullanıcılara gerçekçiye yakın bir deney deneyimi sunar. Kullanıcılar, avatarlar¹⁶ aracılığıyla mimari eğitim sürecindeki grup ödevlerini tamamlayabilir ve mimari ölçme sürecini tıpkı geleneksel bir sınıf ortamında olduğu gibi sürükleyici bir şekilde birlikte gerçekleştirebilirler. Ayrıca, VR tabanlı sanal laboratuvarlar, kullanıcıların sanal laboratuvarların sürükleyici ortamına girmelerine ve VR kulaklıkları ve kulpları¹⁷ takarak sanal deney ekipmanlarıyla etkileşime girmelerine olanak tanıyarak kullanıcıların uygulamalı yeteneklerini^{geliştirir 18}. Farklı eğitim amaçları için farklı sanal ortamlar tasarlayabiliriz. Örneğin, VR, genel halk için mühendislik eğitimini geliştirmek ve sürdürülebilir kalkınma gibi anlaşılması zor bilgilerin yayılmasının verimliliğini artırmak için oyunlaştırma teorisi ile birleştirilebilir¹⁹.

Çevrimiçi laboratuvarlara, özellikle sanal laboratuvarlara benzer şekilde, WebVR tabanlı sanal laboratuvarların da birçok avantajı vardır. İlk olarak, geleneksel laboratuvarların zaman ve mekan sınırlamalarını aşarlar ve kullanıcılar her zaman ve her yerde deney yapabilirler²⁰. İkinci olarak, çevrimiçi laboratuvarlar, deney işlemlerinde olası tehlikeleri ve kazaları önlemek için daha güvenli bir deney ortamı sağlayabilir²¹. Üçüncüsü, sanal laboratuvarlar, kullanıcıların deneysel kapsamını ve deneyimini genişletmek için daha fazla deneysel kaynak ve simülasyon durumu da sağlayabilir²². En önemlisi, WebVR tabanlı sanal laboratuvarlar, kullanıcıların öğrenme ilgisini ve inisiyatifini teşvik edebilir ve deneysel deneyimlerini ve katılımlarını geliştirebilir²³.

Diğer VR tabanlı sanal laboratuvarlarla karşılaştırıldığında, WebVR tabanlı sanal laboratuvar, VR tabanlı sanal laboratuvarların avantajlarını web tabanlı çevrimiçi laboratuvarlarla sorunsuz bir şekilde birleştirir. Gerçekte Sanal Enstrüman Sistemleri (VISIR)²⁴ , gerçek devre kartları inşa ederek temel bir analog elektronik uzak laboratuvar kurar. Kullanıcılar, gerçek devre kartı deneylerini tamamlamak için web arayüzünde simüle edilmiş deneyler yapabilir. Weblab-Deusto⁸ , kullanıcıların diğer eklentilere ihtiyaç duymadan web platformunda su deposunun üç boyutlu (3D) modeliyle etkileşime girebilecekleri su deposu Alan Programlanabilir Kapı Dizisi (FPGA) laboratuvarını kurar. Bu belgede önerilen sistem, WebVR’yi modüler bir bileşen olarak mevcut sanal laboratuvar altyapısına sorunsuz bir şekilde entegre etme yeteneğini sunar. Bu entegrasyon, laboratuvarın orijinal mimari çerçevesini bozmadan, böylece laboratuvarın temel yapısını ve işlevini koruyarak gerçekleştirilebilir. Bu entegrasyon, ayrı ön uç ve arka uca sahip çevrimiçi bir laboratuvarın çerçevesi için de geçerlidir.

Bu yazıda önerilen sistem, NCSLab sisteminin esnekliğini, etkileşimini, modülerliğini ve platformlar arası özelliklerini miras alan Ağ Bağlantılı Kontrol Sistemi Laboratuvarı (NCSLab)^25’e dayalı olarak uygulanmaktadır. Kullanıcılar farklı modüllere göre deneyler yapabilir ve ayrıca algoritmaları ve konfigürasyon arayüzlerini özelleştirebilir, bu da kullanıcılara kendilerini gerçekleştirmeleri için yeterli alan sağlar. Çevrimiçi deneyler, kullanıcı tarafından çalıştırılan algoritmalara göre gerçek zamanlı olarak yönlendirilir. Kullanıcılar, VR deneyleri yaparken deneysel algoritmanın girdilerini değiştirmek için sanal modelle etkileşime girebilir ve hatta kullanıcılar kontrol algoritmasının prensibini daha gerçekçi bir şekilde deneyimleyebilmeleri için bileşenler aracılığıyla kontrol algoritmasının parametrelerini değiştirebilir.

WebVR tabanlı sanal laboratuvarlar, çevrimiçi eğitim için büyük bir potansiyel sunar. Sürükleyici bir deneysel deneyim sağlayabilir, geleneksel laboratuvarların sınırlamalarının üstesinden gelebilir ve kullanıcılar arasında uygulamalı pratik becerileri ve yenilikçi düşünceyi teşvik edebilir.