Sistema de experimentação online interativo e visualizado para educação e pesquisa de engenharia
Summary
Este trabalho descreve um sistema de experimentação on-line que fornece experimentos visualizados, incluindo a visualização de teorias, conceitos e fórmulas, visualizando o processo experimental com plataformas de teste virtuais tridimensionais (3D) e visualizando o sistema de controle e monitoramento usando widgets como gráficos e câmeras.
Abstract
A experimentação é crucial na educação em engenharia. Este trabalho explora experimentos visualizados em laboratórios online para ensino e aprendizagem e também pesquisas. Recursos interativos e visualizadores, incluindo implementação de algoritmos guiados pela teoria, design de algoritmo baseado na Web, interface de monitoramento personalizável e plataformas de teste virtuais tridimensionais (3D) são discutidos. Para ilustrar as características e funcionalidades dos laboratórios propostos, três exemplos, incluindo a exploração do sistema de primeira ordem usando um sistema baseado em circuito com elementos elétricos, design de algoritmo de controle baseado na Web para experimentação virtual e remota, são fornecidos. Usando algoritmos de controle projetados pelo usuário, não só as simulações podem ser conduzidas, mas também experimentos em tempo real também podem ser conduzidos uma vez que os algoritmos de controle projetados tenham sido compilados em algoritmos de controle executáveis. O laboratório on-line proposto também fornece uma interface de monitoramento personalizável, com a qual os usuários podem personalizar sua interface de usuário usando widgets fornecidos, como a caixa de texto, gráfico, 3D e widget da câmera. Os professores podem usar o sistema para demonstração online em sala de aula, alunos para experimentação pós-aula e pesquisadores para verificar estratégias de controle.
Introduction
Laboratórios são infraestrutura vital para pesquisa e educação. Quando os laboratórios convencionais não estão disponíveis e/ou acessíveis devido a diferentes causas, por exemplo, compras inacessíveis e custo de manutenção, considerações de segurança e crises como a pandemia da doença coronavírus 2019 (COVID-19), laboratórios online podem oferecer alternativas1,2,3. Assim como os laboratórios convencionais, progressos significativos, como recursos interativos4 e experimentos personalizáveis5, foram alcançados nos laboratórios online. Antes e durante a pandemia COVID-19, laboratórios online estão fornecendo serviços experimentais para usuários em todo o mundo6,7.
Entre os laboratórios online, laboratórios remotos podem fornecer aos usuários uma experiência semelhante a experimentos práticos com o suporte de plataformas de teste físico e câmeras8. Com o avanço da Internet, comunicação, computação gráfica e tecnologias de renderização, os laboratórios virtuais também oferecem alternativas aos laboratórios convencionais1. A eficácia dos laboratórios remotos e virtuais para apoiar a pesquisa e a educação foi validada na literatura relacionada1,9,10.
Fornecer experimentos visualizados é crucial para laboratórios online, e a visualização em experimentação online tornou-se uma tendência. Diferentes técnicas de visualização são alcançadas em laboratórios online, por exemplo, gráficos de curvas, plataformas de teste bidimensionais (2D) e plataformas de teste tridimensionais (3D)11. Na educação de controle, inúmeras teorias, conceitos e fórmulas são obscuras para compreender; assim, experimentos visualizados são vitais para melhorar o ensino, a aprendizagem dos alunos e a pesquisa. A visualização envolvida pode ser concluída nas três categorias seguintes: (1) Visualizar teorias, conceitos e fórmulas com design e implementação de algoritmos baseados na Web, com as quais a simulação e a experimentação podem ser conduzidas; (2) Visualizar o processo experimental com plataformas de teste virtuais 3D; (3) Visualizar o controle e o monitoramento usando widgets como um gráfico e um widget de câmera.
Protocol
Representative Results
Discussion
O protocolo apresentado descreve um sistema de laboratório online híbrido que integra plataformas de teste físico para experimentação remota e plataformas de teste virtuais 3D para experimentação virtual. Várias bibliotecas de blocos diferentes são fornecidas para o processo de design de algoritmos, como os elementos elétricos para o design baseado em circuitos. Usuários de origens de controle podem se concentrar em aprender sem habilidades de programação. O design adequado de um algoritmo de controle que po…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pela Fundação Nacional de Ciência Natural da China sob 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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