С развитием Интернета и популярностью мобильныхустройств спрос на онлайн-образование растет1. В частности, в периоды широкомасштабных эпидемий традиционные учебные заведения часто сталкиваются с проблемами в эффективном проведении очного обучения, что подчеркивает важность онлайн-образования как важного педагогического подхода2. Теоретические курсы относительно легко перенести на онлайн-платформы. Они могут проводиться с помощью таких инструментов, как программное обеспечение для удаленных видеоконференций и массовые открытые онлайн-курсы (МООК)3. Однако практические курсы сталкиваются с более серьезными проблемами, поскольку они требуют от пользователей проведения практических экспериментов в традиционных лабораториях.
Исследователи внесли значительный вклад в решение проблемы обеспечения доступа к экспериментальному оборудованию в Интернете. За последние два десятилетия были проведены обширные исследования концепций и технологий онлайн-лабораторий 4,5. Онлайн-лаборатории обычно включают в себя удаленные лаборатории6, виртуальные лаборатории7 и гибридные лаборатории8. Эти подходы к онлайн-лабораториям нашли широкое применение в различных инженерных дисциплинах, включая инженерию управления9, машиностроение10 и программную инженерию11.
Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в плане удобства экспериментальных операций в онлайн-лабораториях12, пользователи по-прежнему ощущают отсутствие реализма и аналогичных практических операций по сравнению с традиционными лабораторными средами, что сказывается на их общем опыте13. Это несоответствие в пользовательском опыте мотивирует дальнейшие исследования и разработки, направленные на повышение реализма и вовлеченности в онлайн-лабораторные среды.
Для решения вышеуказанных проблем в виртуальных лабораториях была применена технология виртуальной реальности (VR)14 для улучшения иммерсивности и интерактивности виртуальных лабораторий15. Виртуальные лаборатории на основе виртуальной реальности предоставляют пользователям опыт, приближенный к реалистичному. Пользователи могут выполнять групповые задания в процессе архитектурного образования с помощью аватаров16, выполняя процесс архитектурной съемки вместе с эффектом погружения, как это было бы в традиционной учебной среде. Кроме того, виртуальные лаборатории на основе виртуальной реальности позволяют пользователям входить в иммерсивную среду виртуальных лабораторий и взаимодействовать с виртуальным экспериментальным оборудованием с помощью гарнитур виртуальной реальности иручек 17, улучшая практические навыки пользователей18. Для различных образовательных целей мы можем проектировать различные виртуальные среды. Например, виртуальная реальность может быть объединена с теорией геймификации для улучшения инженерного образования для широкой публики и повышения эффективности распространения трудных для понимания знаний, таких как устойчивое развитие.
Подобно онлайн-лабораториям, особенно виртуальным, виртуальные лаборатории на основе WebVR имеют множество преимуществ. Во-первых, они преодолевают временные и пространственные ограничения традиционных лабораторий, и пользователи могут проводить эксперименты в любое времяи в любом месте. Во-вторых, онлайн-лаборатории могут обеспечить более безопасную экспериментальную среду, чтобы избежать возможных опасностей и несчастных случаев в экспериментальных операциях. В-третьих, виртуальные лаборатории также могут предоставить больше экспериментальных ресурсов и ситуаций моделирования для расширения экспериментальных возможностей и опыта пользователей. Самое главное, что виртуальные лаборатории на основе WebVR могут стимулировать интерес к обучению и инициативу пользователей, а также улучшить их экспериментальный опыт и участие.
По сравнению с другими виртуальными лабораториями на основе виртуальной реальности, виртуальная лаборатория на основе WebVR органично сочетает в себе достоинства виртуальных лабораторий на основе виртуальной реальности и онлайн-лабораторий на основе веб-технологий. Virtual Instrument Systems in Reality (VISIR)24 создает базовую аналоговую электронную удаленную лабораторию путем конструирования реальных печатных плат. Пользователи могут выполнять смоделированные эксперименты в веб-интерфейсе для завершения экспериментов на реальных печатных платах. Weblab-Deusto8 создает лабораторию Field Programmable Gate Array (FPGA) резервуара для воды, где пользователи могут взаимодействовать с трехмерной (3D) моделью резервуара для воды на веб-платформе, не полагаясь на другие плагины. Система, предложенная в данной статье, предоставляет возможность бесшовной интеграции WebVR в качестве модульного компонента в существующую инфраструктуру виртуальной лаборатории. Такая интеграция может быть достигнута без разрушения первоначальной архитектурной структуры лаборатории, тем самым сохраняя основную структуру и функции лаборатории. Эта интеграция также применима к фреймворку онлайн-лаборатории с отдельными фронтендом и бэкендом.
Система, предложенная в данной статье, реализована на базе Networked Control System Laboratory (NCSLab)25, которая унаследовала гибкость, интерактивность, модульность и кроссплатформенные черты системы NCSLab. Пользователи могут проводить эксперименты по различным модулям, а также настраивать алгоритмы и конфигурационные интерфейсы, предоставляя пользователям достаточно пространства для самореализации. Онлайн-эксперименты проводятся в режиме реального времени в соответствии с алгоритмами, запущенными пользователем. Пользователи могут взаимодействовать с виртуальной моделью для изменения входных данных экспериментального алгоритма при проведении VR-экспериментов и даже могут изменять параметры алгоритма управления через компоненты, чтобы пользователи могли более реалистично ощутить принцип работы алгоритма управления.
Виртуальные лаборатории на базе WebVR открывают большой потенциал для онлайн-образования. Он может обеспечить иммерсивный экспериментальный опыт, преодолеть ограничения традиционных лабораторий и способствовать развитию практических навыков и инновационного мышления среди пользователей.