نظام التجريب التفاعلي والمصور عبر الإنترنت للتعليم والبحث الهندسي
November 24th, 2021
يصف هذا العمل نظام التجريب عبر الإنترنت الذي يوفر تجارب مرئية ، بما في ذلك تصور النظريات والمفاهيم والصيغ ، وتصور العملية التجريبية باستخدام منصات اختبار افتراضية ثلاثية الأبعاد (3-D) ، وتصور نظام التحكم والمراقبة باستخدام عناصر واجهة مستخدم مثل الرسوم البيانية والكاميرات.
يحقق بروتوكولنا التجارب عن بعد والافتراضية في المختبرات عبر الإنترنت للتعليم والتعلم وكذلك البحث. يتم الجمع بين المعرفة النظرية وممارسة التجريب لتعزيز التعليم والتعلم من خلال بروتوكولنا. وهو يوفر إطارا موحدا يتيح التنفيذ الموجه نظريا ، وتصميم الخوارزمية المستندة إلى الويب ، وواجهة المراقبة القابلة للتخصيص ، والتجريب الافتراضي والبعيد ثلاثي الأبعاد.
سيساعد Zijie Wie و Shengwang Ye في توضيح الإجراء. تعمل وي للحصول على درجة الماجستير ويي تعمل من أجل الحصول على درجة الدكتوراه. بادئ ذي بدء ، افتح متصفح ويب سائد وأدخل عنوان URL www.powersim.whu.edu.cn/react.
انقر فوق الزر "بدء التجربة" واكتب W-H-U-T-E-S-T كاسم مستخدم وكلمة مرور لتسجيل الدخول إلى النظام. أدخل مختبر WHU في قائمة المختبرات الفرعية على الجانب الأيسر واختر روابط WHU النموذجية للتجريب ، ثم أدخل الواجهة الفرعية لتصميم الخوارزمية. انقر فوق الزر إنشاء نموذج جديد وأدخل واجهة الخوارزمية المستندة إلى الويب.
قم بإنشاء مخطط دائرة باستخدام الكتل المتوفرة. انقر نقرا مزدوجا فوق الكتل المقابلة لتعيين المعلمات ، ثم انقر فوق زر محاكاة البدء. سيتم توفير نتيجة المحاكاة في الواجهة.
انقر فوق الزر "بدء التجميع" وانتظر حتى يتم إنشاء مخطط كتلة التصميم في خوارزمية تحكم قابلة للتنفيذ. يمكن تنزيل خوارزمية التحكم هذه وتنفيذها في وحدة التحكم عن بعد المنتشرة على جانب منصة المهام لتنفيذ خوارزميات التحكم. انقر على زر التحكم في الطلب للتقدم بطلب للتحكم في نظام الدائرة.
ثم انقر فوق زر العودة إلى الواجهة الفرعية لتصميم الخوارزمية. ابحث عن خوارزمية التحكم القابلة للتنفيذ ضمن لوحة نماذج الخوارزميات الخاصة. انقر فوق الزر إجراء تجربة لتنزيل خوارزمية التحكم في التصميم إلى وحدة تحكم عن بعد.
أدخل واجهة التكوين الفرعية وانقر فوق الزر إنشاء شاشة جديدة لتكوين واجهة مراقبة. قم بتضمين أربعة مربعات نص لضبط المعلمات ومخطط منحنى واحد لمراقبة الإشارة. اربط الإشارات والمعلمات بالأدوات المحددة واضبط نطاق المحور x للمخطط على 8S.
انقر على زر البدء لبدء التجربة. اضبط جهد الإدخال على صفر فولت وقم بضبط المكثف C إلى خمسة microfarads ، ثم اضبط جهد الإدخال على فولت واحد. قم بتسجيل الدخول إلى نظام NCSLab وأدخل المختبر الفرعي للتحكم في العملية.
اختر جهاز اختبار الخزان المزدوج وأدخل الواجهة الفرعية لتصميم الخوارزمية. صمم خوارزمية تحكم مشتقة متكاملة متناسبة أو PID باتباع الخطوات الموضحة في المثال الأول. انقر نقرا مزدوجا فوق وحدة تحكم PID وقم بتعيين النسبي يساوي 1.12 ، والتكامل يساوي 0.008 والمشتق يساوي 6.6.
ثم انقر فوق زر بدء المحاكاة. انقر فوق الزر معلمات التكوين وأدخل لوحة تكوين التحويل البرمجي لتعيين الحل إلى ODE4. قم بإنشاء خوارزمية التحكم القابلة للتنفيذ وقم بتنزيل خوارزمية التحكم إلى وحدة التحكم عن بعد.
قم بتكوين واجهة مراقبة بأربعة مربعات نصية لنقطة الضبط و P و I و D.قم بتضمين مخطط لمراقبة مستوى المياه ونقطة المجموعة المقابلة. قم بتعيين نطاق المحور x للمخطط إلى 200S. اختر أداة 3D التي يمكن أن توفر جميع زوايا منصات الاختبار والرسوم المتحركة لمستوى المياه المتصلة بالبيانات في الوقت الفعلي.
ثم انقر فوق الزر ابدأ. اضبط نقطة الضبط من 10 سنتيمترات إلى خمسة سنتيمترات ثم اضبط I يساوي 0.1 عندما يصل ارتفاع مستوى الماء في الخزان المتحكم فيه ويستقر عند خمسة سنتيمترات. أعد تعيين نقطة الضبط من خمسة سنتيمترات إلى 15 سم.
لحن I من 0.1 إلى 0.01 وأعد تعيين نقطة الضبط من 15 سم إلى 25 سم. يتم التخلص من التجاوز ويستقر مستوى الماء عند قيمة النقطة المحددة البالغة 20 سم. قم بتسجيل الدخول إلى نظام NCSLab واختر التحكم في سرعة المروحة في المختبر الفرعي للمختبر عن بعد.
أدخل الواجهة الفرعية لتصميم الخوارزمية واسحب الكتل لإنشاء مخطط خوارزمية التحكم في IMC. ثم قم بإنشاء خوارزمية التحكم القابلة للتنفيذ. استخدم نظام التحكم في سرعة المروحة للتحقق من خوارزمية IMC المصممة.
قم بتكوين واجهة مراقبة وربط مربعين نصيين بنقطة الضبط ومركبة الهبوط للضبط. ثم اربط مخططا في الوقت الفعلي بنقطة الضبط وسرعة المراقبة. حدد عنصر واجهة مستخدم طراز 3D للمروحة وأداة الكاميرا وانقر فوق زر البدء لتنشيط التجربة في الوقت الفعلي.
أعد تعيين نقطة الضبط من 2000 دورة في الدقيقة إلى 1500 دورة في الدقيقة. وأخيرا ، قم بإعادة تعيينه من 1،500 دورة في الدقيقة إلى 2،500 دورة في الدقيقة. تظهر التجربة في الوقت الفعلي لنظام الدرجة الأولى مع خوارزمية التحكم في التصميم هنا.
المعلمات قابلة للضبط ويمكن مراقبة الإشارات باستخدام الأدوات المتوفرة. تظهر الصور التمثيلية التجريب في الوقت الفعلي مع نظام الخزان المزدوج بعد ضبط المصطلح المتكامل من 0.1 إلى 0.01. تتم إعادة تعيين نقطة الضبط من 15 سم إلى 25 سم.
تم القضاء على التجاوز هنا. يمكن تحقيق التحكم في الوقت الفعلي ويمكن مراقبة سرعة المروحة باستخدام مختبر التحكم عن بعد في سرعة المروحة جنبا إلى جنب مع نظام مروحة افتراضي 3D. يقع نظام المروحة المادية في جامعة ووهان ويوفر خدمات المختبرات عن بعد للمستخدمين في جميع أنحاء العالم.
يمكن أيضا إجراء تجربة تحكم منسقة للعوامل المتعددة ، والتي يمكن أن توضح عوامل أداء التحكم المنسقة في المختبر البعيد. تحقق هذه التكنولوجيا المشاركة عبر الإنترنت للمعدات التجريبية وتنوع تطوير التدريس التجريبي مما يوفر عرضا جيدا لتطوير مختبرات افتراضية مشتركة عن بعد وثلاثية الأبعاد.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة نظامًا تجريبيًا عبر الإنترنت يدمج التجارب المرئية مع التركيز على المعرفة النظرية والتطبيق العملي. يجمع بين منصات الاختبار الافتراضية ثلاثية الأبعاد والواجهات القابلة للتخصيص لتعزيز التدريس والبحث.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- علم الأعصاب
- علم الأحياء
- التعليم عبر الإنترنت
الخلفية
- دمج النظرية والتطبيق في التعليم.
- استخدام المنصات القائمة على الويب للتجارب عن بعد.
- أهمية التصور في فهم المفاهيم المعقدة.
- تطوير إطار عمل موحد للتجريب.
هدف الدراسة
- تعزيز التدريس والتعلم من خلال التجارب الافتراضية.
- توفير منصة للتعلم عن بعد والتفاعلي.
- تسهيل فهم أفضل للمفاهيم النظرية من خلال التطبيق العملي.
الطرق المستخدمة
- تطوير نظام التجارب عبر الإنترنت.
- منصات اختبار افتراضية ثلاثية الأبعاد للتصور.
- تصميم خوارزميات قائمة على الويب للواجهات القابلة للتخصيص.
- دمج أدوات المراقبة مثل الرسوم البيانية والكاميرات.
النتائج الرئيسية
- عرض ناجح للتجارب عن بعد.
- زيادة المشاركة في التعلم من خلال المساعدات البصرية.
- تغذية راجعة إيجابية على قابلية استخدام النظام عبر الإنترنت.
- مزيج فعال من المعرفة النظرية والعملية.
الخلاصات
- نظام التجارب عبر الإنترنت فعال للتعليم.
- التصور يلعب دورًا حاسمًا في فهم النظريات المعقدة.
- التجارب عن بعد يمكن أن تعزز فرص البحث.
الأسئلة المتداولة
Executive Industry Relevance
Remote and virtual experimentation platforms with customizable monitoring and algorithm design capabilities are increasingly relevant for biopharma R&D, enabling distributed teams to test, visualize, and refine control strategies in real time. Such systems support hypothesis-driven engineering of experimental setups, facilitating rapid iteration and reproducibility across geographically dispersed research groups. The integration of web-based, theory-guided algorithm implementation and real-time data visualization enhances predictive confidence and operational efficiency in early-stage technology development.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Supports rapid prototyping and validation of experimental control algorithms for complex biological systems.
- Enables remote hypothesis testing and iterative refinement of experimental parameters.
- Facilitates functional de-risking by allowing real-time monitoring and adjustment of system variables.
Screening & Assay Development
- Prepares validated, customizable experimental systems for downstream assay workflows.
- Standardizes data collection and visualization through configurable monitoring interfaces.
- Enables reproducible, scalable experimentation for reliable compound or system evaluation.
Translational & Preclinical Research
- Provides continuity from algorithmic design to real-time system validation, supporting translational research needs.
- Aligns experimental outputs with quantitative monitoring for preclinical model optimization.
- Reduces risk by enabling remote, iterative testing before physical implementation.
Pipeline & Workflow Integration
This online experimentation system bridges early discovery, screening, and preclinical validation by enabling remote, theory-guided algorithm design and real-time monitoring of experimental systems.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing and pathway clarification through customizable, interactive experimentation.
- Screening: Delivers standardized, quantitative outputs for comparative analysis across experimental conditions.
- Analytics: Integrates real-time data visualization and parameter tracking for robust statistical analysis.
- Translational Research: Supports iterative refinement and validation of control strategies in disease-relevant or engineered systems.
- Enterprise Reuse: Provides a scalable, web-based platform for repeated use across multiple research teams and projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence and target validation through real-time, interactive experimentation.
- Operational Value: Increases reproducibility and standardization with customizable monitoring and algorithm deployment.
- Strategic Value: Accelerates go/no-go decisions and reduces resource expenditure by enabling remote, iterative testing.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of experimental technologies.
Implementation Considerations
- Requires expertise in algorithm design and system modeling for effective use.
- Depends on robust web-based infrastructure and remote access to experimental hardware.
- Demands cross-team standardization of monitoring interfaces and data outputs.
- Adaptable to various experimental models with appropriate widget and interface configuration.
- Limited by the fidelity of virtual representations and remote hardware integration.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Introduction
0:47
Example 1: First-Order System Using Circuit-Based Experimentation Protocol
3:16
Example 2: Interactive and Visualized Virtual Experimentation Protocol
5:34
Example 3: Research with Remote and Virtual Laboratories Protocol
6:44
Results: Real-Time Experimentation with the Designed Control Algorithm, 3-D Virtual, and Physical Test Rigs
7:47
Conclusion
