Sistema di sperimentazione online interattivo e visualizzato per l'istruzione e la ricerca ingegneristica
Summary
Questo lavoro descrive un sistema di sperimentazione online che fornisce esperimenti visualizzati, tra cui la visualizzazione di teorie, concetti e formule, la visualizzazione del processo sperimentale con banchi di prova virtuali tridimensionali (3D) e la visualizzazione del sistema di controllo e monitoraggio utilizzando widget come grafici e telecamere.
Abstract
La sperimentazione è fondamentale nella formazione ingegneristica. Questo lavoro esplora esperimenti visualizzati in laboratori online per l’insegnamento e l’apprendimento e anche la ricerca. Vengono discusse le funzionalità interattive e di visualizzazione, tra cui l’implementazione di algoritmi guidati dalla teoria, la progettazione di algoritmi basati sul Web, l’interfaccia di monitoraggio personalizzabile e i banchi di test virtuali tridimensionali (3D). Per illustrare le caratteristiche e le funzionalità dei laboratori proposti, vengono forniti tre esempi, tra cui l’esplorazione del sistema di primo ordine utilizzando un sistema basato su circuito con elementi elettrici, la progettazione di algoritmi di controllo basati sul web per la sperimentazione virtuale e remota. Utilizzando algoritmi di controllo progettati dall’utente, non solo è possibile condurre simulazioni, ma anche esperimenti in tempo reale una volta che gli algoritmi di controllo progettati sono stati compilati in algoritmi di controllo eseguibili. Il laboratorio online proposto fornisce anche un’interfaccia di monitoraggio personalizzabile, con la quale gli utenti possono personalizzare la propria interfaccia utente utilizzando widget forniti come la casella di testo, il grafico, il 3D e il widget della fotocamera. Gli insegnanti possono utilizzare il sistema per la dimostrazione online in classe, gli studenti per la sperimentazione dopo le lezioni e i ricercatori per verificare le strategie di controllo.
Introduction
I laboratori sono un’infrastruttura vitale per la ricerca e l’istruzione. Quando i laboratori convenzionali non sono disponibili e/o accessibili a causa di cause diverse, ad esempio acquisti inaccessibili e costi di manutenzione, considerazioni sulla sicurezza e crisi come la pandemia di coronavirus 2019 (COVID-19), i laboratori online possono offrire alternative1,2,3. Come i laboratori convenzionali, nei laboratori online sono stati compiuti progressi significativi come le funzionalità interattive4 e gli esperimenti personalizzabili5. Prima e durante la pandemia di COVID-19, i laboratori online forniscono servizi sperimentali agli utenti di tutto il mondo6,7.
Tra i laboratori online, i laboratori remoti possono fornire agli utenti un’esperienza simile agli esperimenti pratici con il supporto di banchi di prova fisici e telecamere8. Con il progresso di Internet, della comunicazione, della computer grafica e delle tecnologie di rendering, i laboratori virtuali offrono anche alternative ai laboratori convenzionali1. L’efficacia dei laboratori remoti e virtuali a supporto della ricerca e dell’istruzione è stata convalidata nella letteratura correlata1,9,10.
Fornire esperimenti visualizzati è fondamentale per i laboratori online e la visualizzazione nella sperimentazione online è diventata una tendenza. Nei laboratori online si ottengono diverse tecniche di visualizzazione, ad esempio grafici di curve, banchi di prova bidimensionali (2D) e banchi di prova tridimensionali (3D)11. Nell’educazione al controllo, numerose teorie, concetti e formule sono oscuri da comprendere; pertanto, gli esperimenti visualizzati sono vitali per migliorare l’insegnamento, l’apprendimento degli studenti e la ricerca. La visualizzazione coinvolta può essere conclusa nelle seguenti tre categorie: (1) Visualizzare teorie, concetti e formule con progettazione e implementazione di algoritmi basati sul web, con cui è possibile condurre simulazione e sperimentazione; (2) Visualizzazione del processo sperimentale con banchi di prova virtuali 3D; (3) Visualizzazione del controllo e del monitoraggio utilizzando widget come un grafico e un widget della fotocamera.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il protocollo presentato descrive un sistema di laboratorio online ibrido che integra banchi di prova fisici per la sperimentazione remota e banchi di prova virtuali 3D per la sperimentazione virtuale. Per il processo di progettazione dell’algoritmo sono disponibili diverse librerie di blocchi, come gli elementi elettrici per la progettazione basata su circuiti. Gli utenti provenienti da ambienti di controllo possono concentrarsi sull’apprendimento senza competenze di programmazione. Dovrebbe essere presa in considerazio…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Natural Science Foundation of China nell’ambito di Grant 62103308, Grant 62173255, Grant 62073247 e 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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