Sistema de experimentación en línea interactivo y visualizado para la educación e investigación en ingeniería
Summary
Este trabajo describe un sistema de experimentación en línea que proporciona experimentos visualizados, incluida la visualización de teorías, conceptos y fórmulas, visualizando el proceso experimental con plataformas de prueba virtuales tridimensionales (3-D) y visualizando el sistema de control y monitoreo utilizando widgets como gráficos y cámaras.
Abstract
La experimentación es crucial en la educación en ingeniería. Este trabajo explora experimentos visualizados en laboratorios en línea para la enseñanza y el aprendizaje y también la investigación. Se discuten las características interactivas y de visualización, incluida la implementación de algoritmos guiados por teoría, el diseño de algoritmos basados en la web, la interfaz de monitoreo personalizable y las plataformas de prueba virtuales tridimensionales (3D). Para ilustrar las características y funcionalidades de los laboratorios propuestos, se proporcionan tres ejemplos, incluida la exploración del sistema de primer orden utilizando un sistema basado en circuitos con elementos eléctricos, el diseño de algoritmos de control basados en la web para la experimentación virtual y remota. Utilizando algoritmos de control diseñados por el usuario, no solo se pueden realizar simulaciones, sino que también se pueden realizar experimentos en tiempo real una vez que los algoritmos de control diseñados se han compilado en algoritmos de control ejecutables. El laboratorio en línea propuesto también proporciona una interfaz de monitoreo personalizable, con la que los usuarios pueden personalizar su interfaz de usuario utilizando widgets proporcionados como el cuadro de texto, el gráfico, el 3D y el widget de la cámara. Los maestros pueden usar el sistema para la demostración en línea en el aula, los estudiantes para la experimentación después de clase y los investigadores para verificar las estrategias de control.
Introduction
Los laboratorios son una infraestructura vital para la investigación y la educación. Cuando los laboratorios convencionales no están disponibles y/o accesibles debido a diferentes causas, por ejemplo, compras inasequibles y costos de mantenimiento, consideraciones de seguridad y crisis como la pandemia de la enfermedad por coronavirus 2019 (COVID-19), los laboratorios en línea pueden ofrecer alternativas1,2,3. Al igual que los laboratorios convencionales, en los laboratorios en línea se han logrado avances significativos como las características interactivas4 y los experimentos personalizables5. Antes y durante la pandemia de COVID-19, los laboratorios en línea están proporcionando servicios experimentales a usuarios de todo el mundo6,7.
Entre los laboratorios en línea, los laboratorios remotos pueden proporcionar a los usuarios una experiencia similar a los experimentos prácticos con el apoyo de plataformas de pruebas físicas y cámaras8. Con el avance de Internet, la comunicación, los gráficos por computadora y las tecnologías de renderizado, los laboratorios virtuales también ofrecen alternativas a los laboratorios convencionales1. La efectividad de los laboratorios remotos y virtuales para apoyar la investigación y la educación ha sido validada en literatura relacionada1,9,10.
Proporcionar experimentos visualizados es crucial para los laboratorios en línea, y la visualización en la experimentación en línea se ha convertido en una tendencia. Se logran diferentes técnicas de visualización en laboratorios en línea, por ejemplo, gráficos de curvas, bancos de pruebas bidimensionales (2-D) y bancos de pruebas tridimensionales (3-D)11. En la educación de control, numerosas teorías, conceptos y fórmulas son oscuros de comprender; por lo tanto, los experimentos visualizados son vitales para mejorar la enseñanza, el aprendizaje de los estudiantes y la investigación. La visualización involucrada se puede concluir en las siguientes tres categorías: (1) Visualización de teorías, conceptos y fórmulas con diseño e implementación de algoritmos basados en la web, con los cuales se puede realizar simulación y experimentación; (2) Visualización del proceso experimental con bancos de pruebas virtuales en 3D; (3) Visualización del control y la supervisión mediante widgets como un gráfico y un widget de cámara.
Protocol
Representative Results
Discussion
El protocolo presentado describe un sistema híbrido de laboratorio en línea que integra plataformas de prueba físicas para la experimentación remota y plataformas de prueba virtuales 3D para la experimentación virtual. Se proporcionan varias bibliotecas de bloques diferentes para el proceso de diseño del algoritmo, como los elementos eléctricos para el diseño basado en circuitos. Los usuarios de fondos de control pueden centrarse en el aprendizaje sin habilidades de programación. Se debe considerar el diseño ad…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China bajo Grant 62103308, Grant 62173255, Grant 62073247 y Grant 61773144.
Materials
| Fan speed control system | / | / | Made by our team |
| https://www.powersim.whu.edu.cn/react | Made by our team |
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