Diese Arbeit beschreibt ein Online-Experimentiersystem, das visualisierte Experimente bereitstellt, einschließlich der Visualisierung von Theorien, Konzepten und Formeln, der Visualisierung des experimentellen Prozesses mit dreidimensionalen (3D) virtuellen Prüfständen und der Visualisierung des Steuerungs- und Überwachungssystems mit Widgets wie Diagrammen und Kameras.
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Methodenartikel
Interaktives und visualisiertes Online-Experimentiersystem für Ingenieurausbildung und -forschung
In diesem Artikel
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Experimentieren ist in der Ingenieurausbildung von entscheidender Bedeutung. Diese Arbeit untersucht visualisierte Experimente in Online-Laboren für das Lehren und Lernen und auch für die Forschung. Interaktive und visualisierende Funktionen, einschließlich theoriegeführter Algorithmusimplementierung, webbasiertes Algorithmusdesign, anpassbare Überwachungsschnittstelle und dreidimensionale (3D) virtuelle Prüfstände werden diskutiert. Um die Merkmale und Funktionalitäten der vorgeschlagenen Labore zu veranschaulichen, werden drei Beispiele bereitgestellt, darunter die Systemerkundung erster Ordnung unter Verwendung eines schaltungsbasierten Systems mit elektrischen Elementen sowie das webbasierte Steuerungsalgorithmusdesign für virtuelle und Fernexperimente. Mit benutzerdefinierten Steuerungsalgorithmen können nicht nur Simulationen durchgeführt werden, sondern auch Echtzeitexperimente durchgeführt werden, sobald die entworfenen Steuerungsalgorithmen zu ausführbaren Steuerungsalgorithmen kompiliert wurden. Das vorgeschlagene Online-Labor bietet auch eine anpassbare Überwachungsoberfläche, mit der Benutzer ihre Benutzeroberfläche mithilfe der bereitgestellten Widgets wie Textfeld, Diagramm, 3D und Kamera-Widget anpassen können. Lehrer können das System für Online-Demonstrationen im Klassenzimmer verwenden, Schüler für Experimente nach dem Unterricht und Forscher, um Kontrollstrategien zu überprüfen.
Einleitung
Labore sind eine wichtige Infrastruktur für Forschung und Lehre. Wenn herkömmliche Labore aus verschiedenen Gründen nicht verfügbar und/oder zugänglich sind, z. B. unerschwingliche Anschaffungs- und Wartungskosten, Sicherheitsüberlegungen und Krisen wie die Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19), können Online-Labore Alternativen anbieten1,2,3. Wie in herkömmlichen Laboren wurden auch in den Online-Laboren erhebliche Fortschritte wie interaktive Funktionen4 und anpassbare Experimente5 erzielt. Vor und während der COVID-19-Pandemi....
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Protokoll
In dieser Arbeit werden drei separate visualisierte Beispiele zur Verbesserung von Lehre und Lernen und Forschung bereitgestellt, auf die über das Networked Control System Laboratory (NCSLab https://www.powersim.whu.edu.cn/react zugegriffen werden kann.
1. Beispiel 1: System erster Ordnung mit schaltungsbasiertem Experimentierprotokoll
- Greifen Sie auf das NCSLab-System zu.
- Öffnen Sie einen gängigen Webbrowser und geben Sie die URL https://www.powersim.whu.edu.cn/react ein.
- Klicken Sie auf die Schaltfläche Experiment starten auf der linken Seite der Hauptseite, um sich be....
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Ergebnisse
Das vorgeschlagene Laborsystem wurde von verschiedenen Schülern an der Wuhan University verwendet, wie der Automatisierungs-, Energie- und Energietechnik, dem Maschinenbau und anderen Universitäten wie der Henan Agricultural University6.
Lehrer/Studenten/Forscher haben große Flexibilität, um das System mit verschiedenen virtuellen und/oder physischen Prüfständen zu erkunden, ihre Steuerungsalgorithmen zu definieren und ihre Überwachungsschnittstelle anzupassen. So könne.......
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Diskussion
Das vorgestellte Protokoll beschreibt ein hybrides Online-Laborsystem, das physische Prüfstände für Fernexperimente und virtuelle 3D-Prüfstände für virtuelle Experimente integriert. Für den Algorithmusentwurfsprozess stehen mehrere verschiedene Blockbibliotheken zur Verfügung, z. B. die elektrischen Elemente für den schaltungsbasierten Entwurf. Benutzer mit Kontrollhintergründen können sich auf das Lernen ohne Programmierkenntnisse konzentrieren. Das richtige Design eines Regelalgorithmus, der auf einen geeigneten Prüfst.......
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Offenlegungen
Die Autoren haben nichts preiszugeben.
Danksagungen
Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China im Rahmen von Grant 62103308, Grant 62173255, Grant 62073247 und Grant 61773144 unterstützt.
....Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
Materialien
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| System zur Steuerung der Lüftergeschwindigkeit | / | / | Hergestellt von unserem Team |
| https://www.powersim.whu.edu.cn/react | Hergestellt von unserem Team |
Referenzen
- De Jong, T., Linn, M. C., Zacharia, Z. C. Physical and virtual laboratories in science and engineering education. Science. 340 (6130), 305-308 (2013).
- Galan, D., et al. Safe experimentation in optical levitation of charged droplets usi....
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Nachdrucke und Genehmigungen
