Interaktives und visualisiertes Online-Experimentiersystem für Ingenieurausbildung und -forschung
Summary
Diese Arbeit beschreibt ein Online-Experimentiersystem, das visualisierte Experimente bereitstellt, einschließlich der Visualisierung von Theorien, Konzepten und Formeln, der Visualisierung des experimentellen Prozesses mit dreidimensionalen (3D) virtuellen Prüfständen und der Visualisierung des Steuerungs- und Überwachungssystems mit Widgets wie Diagrammen und Kameras.
Abstract
Experimentieren ist in der Ingenieurausbildung von entscheidender Bedeutung. Diese Arbeit untersucht visualisierte Experimente in Online-Laboren für das Lehren und Lernen und auch für die Forschung. Interaktive und visualisierende Funktionen, einschließlich theoriegeführter Algorithmusimplementierung, webbasiertes Algorithmusdesign, anpassbare Überwachungsschnittstelle und dreidimensionale (3D) virtuelle Prüfstände werden diskutiert. Um die Merkmale und Funktionalitäten der vorgeschlagenen Labore zu veranschaulichen, werden drei Beispiele bereitgestellt, darunter die Systemerkundung erster Ordnung unter Verwendung eines schaltungsbasierten Systems mit elektrischen Elementen sowie das webbasierte Steuerungsalgorithmusdesign für virtuelle und Fernexperimente. Mit benutzerdefinierten Steuerungsalgorithmen können nicht nur Simulationen durchgeführt werden, sondern auch Echtzeitexperimente durchgeführt werden, sobald die entworfenen Steuerungsalgorithmen zu ausführbaren Steuerungsalgorithmen kompiliert wurden. Das vorgeschlagene Online-Labor bietet auch eine anpassbare Überwachungsoberfläche, mit der Benutzer ihre Benutzeroberfläche mithilfe der bereitgestellten Widgets wie Textfeld, Diagramm, 3D und Kamera-Widget anpassen können. Lehrer können das System für Online-Demonstrationen im Klassenzimmer verwenden, Schüler für Experimente nach dem Unterricht und Forscher, um Kontrollstrategien zu überprüfen.
Introduction
Labore sind eine wichtige Infrastruktur für Forschung und Lehre. Wenn herkömmliche Labore aus verschiedenen Gründen nicht verfügbar und/oder zugänglich sind, z. B. unerschwingliche Anschaffungs- und Wartungskosten, Sicherheitsüberlegungen und Krisen wie die Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19), können Online-Labore Alternativen anbieten1,2,3. Wie in herkömmlichen Laboren wurden auch in den Online-Laboren erhebliche Fortschritte wie interaktive Funktionen4 und anpassbare Experimente5 erzielt. Vor und während der COVID-19-Pandemie bieten Online-Labore experimentelle Dienste für Nutzer auf der ganzen Welt an6,7.
Unter den Online-Labors können Remote-Labore den Benutzern eine ähnliche Erfahrung wie praktische Experimente mit Unterstützung von physischen Prüfständen und Kameras bieten8. Mit der Weiterentwicklung des Internets, der Kommunikation, der Computergrafik und der Rendering-Technologien bieten virtuelle Labore auch Alternativen zu herkömmlichen Labors1. Die Wirksamkeit von Remote- und virtuellen Labors zur Unterstützung von Forschung und Bildung wurde in einschlägiger Literatur bestätigt1,9,10.
Die Bereitstellung von visualisierten Experimenten ist für Online-Labore von entscheidender Bedeutung, und die Visualisierung im Online-Experiment ist zu einem Trend geworden. In Online-Laboren werden unterschiedliche Visualisierungstechniken durchgeführt, z. B. Kurvendiagramme, zweidimensionale (2-D) Prüfstände und dreidimensionale (3-D) Prüfstände11. In der Kontrollerziehung sind zahlreiche Theorien, Konzepte und Formeln unklar zu verstehen; Daher sind visualisierte Experimente von entscheidender Bedeutung für die Verbesserung des Unterrichts, des Lernens und der Forschung der Schüler. Die damit verbundene Visualisierung kann in die folgenden drei Kategorien eingeteilt werden: (1) Visualisierung von Theorien, Konzepten und Formeln mit webbasiertem Algorithmusdesign und -implementierung, mit dem Simulation und Experimente durchgeführt werden können; (2) Visualisierung des experimentellen Prozesses mit virtuellen 3D-Prüfständen; (3) Visualisierung der Steuerung und Überwachung mit Widgets wie einem Diagramm und einem Kamera-Widget.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das vorgestellte Protokoll beschreibt ein hybrides Online-Laborsystem, das physische Prüfstände für Fernexperimente und virtuelle 3D-Prüfstände für virtuelle Experimente integriert. Für den Algorithmusentwurfsprozess stehen mehrere verschiedene Blockbibliotheken zur Verfügung, z. B. die elektrischen Elemente für den schaltungsbasierten Entwurf. Benutzer mit Kontrollhintergründen können sich auf das Lernen ohne Programmierkenntnisse konzentrieren. Das richtige Design eines Regelalgorithmus, der auf einen geeign…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China im Rahmen von Grant 62103308, Grant 62173255, Grant 62073247 und Grant 61773144 unterstützt.
Materials
| Fan speed control system | / | / | Made by our team |
| https://www.powersim.whu.edu.cn/react | Made by our team |
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