Système d’expérimentation en ligne interactif et visualisé pour l’enseignement et la recherche en ingénierie
Summary
Ce travail décrit un système d’expérimentation en ligne qui fournit des expériences visualisées, y compris la visualisation de théories, de concepts et de formules, la visualisation du processus expérimental avec des bancs d’essai virtuels tridimensionnels (3D) et la visualisation du système de contrôle et de surveillance à l’aide de widgets tels que des graphiques et des caméras.
Abstract
L’expérimentation est cruciale dans l’enseignement de l’ingénierie. Ce travail explore des expériences visualisées dans des laboratoires en ligne pour l’enseignement et l’apprentissage ainsi que la recherche. Les fonctionnalités interactives et visuelles, y compris la mise en œuvre d’algorithmes guidés par la théorie, la conception d’algorithmes basés sur le Web, l’interface de surveillance personnalisable et les bancs d’essai virtuels tridimensionnels (3D) sont discutés. Pour illustrer les caractéristiques et les fonctionnalités des laboratoires proposés, trois exemples, y compris l’exploration du système de premier ordre à l’aide d’un système basé sur des circuits avec des éléments électriques, la conception d’algorithmes de contrôle basés sur le Web pour l’expérimentation virtuelle et à distance, sont fournis. En utilisant des algorithmes de contrôle conçus par l’utilisateur, non seulement des simulations peuvent être effectuées, mais des expériences en temps réel peuvent également être menées une fois que les algorithmes de contrôle conçus ont été compilés en algorithmes de contrôle exécutables. Le laboratoire en ligne proposé fournit également une interface de surveillance personnalisable, avec laquelle les utilisateurs peuvent personnaliser leur interface utilisateur à l’aide des widgets fournis tels que la zone de texte, le graphique, la 3D et le widget de caméra. Les enseignants peuvent utiliser le système pour une démonstration en ligne en classe, les étudiants pour des expériences après les cours et les chercheurs pour vérifier les stratégies de contrôle.
Introduction
Les laboratoires sont des infrastructures vitales pour la recherche et l’éducation. Lorsque les laboratoires conventionnels ne sont pas disponibles et/ou accessibles en raison de différentes causes, par exemple, des achats inabordables et des coûts d’entretien, des considérations de sécurité et des crises telles que la pandémie de maladie à coronavirus 2019 (COVID-19), les laboratoires en ligne peuvent proposer des alternatives1,2,3. Comme les laboratoires conventionnels, des progrès significatifs tels que des fonctionnalités interactives4 et des expériences personnalisables5 ont été réalisés dans les laboratoires en ligne. Avant et pendant la pandémie de COVID-19, les laboratoires en ligne fournissent des services expérimentaux aux utilisateurs du monde entier6,7.
Parmi les laboratoires en ligne, les laboratoires distants peuvent offrir aux utilisateurs une expérience similaire à des expériences pratiques avec le soutien de bancs d’essai physiques et de caméras8. Avec l’avancement d’Internet, de la communication, de l’infographie et des technologies de rendu, les laboratoires virtuels offrent également des alternatives aux laboratoires conventionnels1. L’efficacité des laboratoires distants et virtuels pour soutenir la recherche et l’éducation a été validée dans la littérature connexe1,9,10.
Fournir des expériences visualisées est crucial pour les laboratoires en ligne, et la visualisation dans l’expérimentation en ligne est devenue une tendance. Différentes techniques de visualisation sont réalisées dans des laboratoires en ligne, par exemple des diagrammes de courbes, des bancs d’essai bidimensionnels (2D) et des bancs d’essai tridimensionnels (3D)11. Dans l’enseignement du contrôle, de nombreuses théories, concepts et formules sont obscurs à comprendre; ainsi, les expériences visualisées sont essentielles pour améliorer l’enseignement, l’apprentissage des élèves et la recherche. La visualisation impliquée peut être conclue dans les trois catégories suivantes: (1) Visualisation de théories, de concepts et de formules avec la conception et la mise en œuvre d’algorithmes basés sur le Web, avec lesquels la simulation et l’expérimentation peuvent être menées; (2) Visualiser le processus expérimental avec des bancs d’essai virtuels 3D; (3) Visualisation du contrôle et de la surveillance à l’aide de widgets tels qu’un graphique et un widget de caméra.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le protocole présenté décrit un système de laboratoire hybride en ligne qui intègre des bancs d’essai physiques pour l’expérimentation à distance et des bancs d’essai virtuels 3D pour l’expérimentation virtuelle. Plusieurs bibliothèques de blocs différentes sont fournies pour le processus de conception de l’algorithme, telles que les éléments électriques pour la conception basée sur des circuits. Les utilisateurs issus du milieu du contrôle peuvent se concentrer sur l’apprentissage sans compét…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par la National Natural Science Foundation of China dans le cadre de Grant 62103308, Grant 62173255, Grant 62073247 et 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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