Статті‎ > ‎

Навчання інженерів з автоматизації та управління з використанням комбінованих практичних, дистанційних та віртуальних лабораторій

опубліковано 10 груд. 2015 р., 11:04 Александр Пупена

(за матеріалами статті C. Pereira, S. Paladini, F.M. Schaf "Control and Automation Engineering Education: combining physical, remote and virtual labs" // Systems, Signals and Devices (SSD), 2012 9th International Multi-Conference on)
Переклад та адаптація: Олександр Пупена

1. Вступ

    Однією з ключових задач навчання інженерів з автоматизації є зменшення зазору між класичними теоретичними курсами (наприклад ТАУ) та реальною практикою. Тому дуже важливо дозволити студентам взаємодіяти з пристроями, системами і методами, які максимально наближені до тих, які будуть використовуватися на виробництві. Нажаль відтворення реального промислового підприємства у навчальній сфері є нетривіальною задачею. Промислове обладнання є дуже дорогим (і з точки зору придбання, встановлення і з точки зору затрат на обслуговування). Крім того, враховуючи малий досвід практичної роби студентів, повинні також враховуватися обмеження, які пов’язані з безпечним виконанням експериментів. Такі фактори обмежують використання реальних промислових пристроїв та засобів в навчальних лабораторіях.
    Нові досягнення в інформаційних технологіях (ІТ) та Інтернет-технолоіях породили нові парадигми і відкрили декілька нових можливостей. Зокрема це віддалений (дистанційний) цілодобовий доступ до експериментальних засобів, роблячи їх досяжними для студентів географічно розміщених в різних куточках світу у будь який момент часу. Завдяки поширенню Інтернет по всьому світі, викладачі мають можливість надати доступ до своїх навчальних матеріалів для набагато чисельнішої аудиторії студентів. Доступні в мережі лабораторії з дистанційними експериментальними (лабораторними) роботами стали привабливим економічним рішенням для зростаючої кількості студентів.
    Однак наявність дистанційних лабораторій не є достатньою умовою гарантування успіху в процесі навчання. Дистанційні експерименти, які не підкріплені методично обробленим супутнім навчальним матеріалом, який би пояснював теоретичні основи експерименту, по суті проходяться з використанням методу "проб та помилок". Як показала практика, такі експерименти не дали значного ефекту, який очікувався на початку.
    Для вирішення цієї проблеми доцільно поєднати можливості віддалених лабораторій та віртуальних середовищ навчання  (VLE), дозволивши комбінувати різні методи навчання: активне, розподілене та командне. Навички, які необхідні спеціалісту, отримуються в навчанні через активні практичні експерименти, що виконує студент у віртуальних(дистанційних) лабораторних середовищах. Розподілене навчання пов’язано з Веб-досяжністю і відповідно просторовою гнучкістю VLE. Один з найважливіших навиків, які можна досягнути при цьому - це можливість роботи в команді, тобто коли студенти взаємодіють між собою і з викладачем, таким чином поширюючи знання в загальному середовищі.
                                                  

2. Практичні, імітаційні, дистанційні, віртуальні та віртуально-світові лабораторії (та інші)

    Для інженерної та ІТ освіти лабораторні роботи мають дуже велике значення. На сьогоднішній день доступна велика кількість технологій, що дозволяють будувати багато різних типів лабораторій. Термінологія, яка використовується для назв цих типів лабораторій відрізняється в різних джерелах. Тим не менше можна умовно виділити наступні типи лабораторій, в залежності від особливостей реалізації об’єкта дослідження:
  • практичні (реальні) локальні лабораторії;
  • практичні віддалені (дистанційні) лабораторії;
  • імітаційні локальні лабораторії;
  • імітаційні дистанційні лабораторії;
  • комбіновані лабораторії;  
    Практичні лабораторні роботи, і відповідно лабораторії, виділяються наступними особливостями:
  1. в лабораторії повинно бути встановлене фізичне обладнання;
  2. студенти, що виконують лабораторні роботи фізично присутні в лабораторії.
    Обидві характеристики дають свої недоліки: високі витрати для встановлення, експлуатації та обслуговування реального фізичного обладнання, які можуть використовуватися тільки на обмежену кількість студентів, як із-за обмежень в просторі лабораторії, так із-за кількості обладнання, яке може одночасно використовуватися. 
    У імітаційних лабораторіях (також називаються віртуальними лабораторіями, або  VLabs) вся інфраструктура, що потрібна для лабораторій не являється реальною, а імітується на комп’ютерах. Для моделювання та імітації поведінки реальних об’єктів та проведення експериментів використовується різноманітне спеціалізоване ПЗ  як MatLab, LabView, Modelica і т.д. Значне збільшення обчислювальної потужності зробила поява багато-ядерних процесорів, графічних процесорів, доступних навіть для університетів в країнах, що розвиваються. Такі комп’ютери дали можливість моделювати і представляти в графічному вигляді складні технологічні процеси в близькому до реального часу.
    Моделювання може проводитися в зменшеному масштабі часу відносно реального для зменшення часу на виконання експериментів. Наприклад для експериментів з управлінням рівнем у великих ємностей може зайняти декілька годин при реальних обставинах, в може бути швидко виконана за допомогою моделювання, залишаючи більше часу на аналізу експериментальних характеристик, наприклад визначення сталої часу, перерегулювання і т.д.  Крім того під час імітаційного експерименту студенти можуть "зупинити час" перейти на крок назад або виконати експеримент по часовим інтервалам, тим самим краще розуміючи його.       
    Зараз у світі існує велика кількість імітаційних лабораторій. Хорошим прикладом віртуальних лабораторій є VCLab, EasyJava (інтегрується з MatLab), SimQuest.       
    Одним з головних недоліків імітаційних лабораторій є те, що вони часто базуються на ідеалізованих моделях, які не повністю відповідають реальному життю. У зв’язку з відмінністю теоретичних моделей та реальних може бути пропущений важливий досвід. Альтернативою імітаційним та практичним лабораторіям є використання віддаленого доступу до реальних лабораторій, тобто дистанційних лабораторій. Від реальних лабораторій їх відрізняє наявна відстані між експериментатором та експериментальним обладнанням. Дистанційні лабораторії стають дуже популярними. Вони надають можливість отримати реальні експериментальні дані в декількох навчальних закладах, розподіляючи фізичні пристрої між ними і надаючи доступ усім. Крім того, в дистанційних лабораторіях можна розширити можливості звичайних лабораторій збільшуючи кількість місць та експериментів в декілька раз, а їх доступність поширюється на більшу кількість студентів.
    Дослідження показують, що студенти являються більш мотивовані до готовності працювати в дистанційних лабораторіях. Деякі студенти вважають, що дистанційні лабораторії більш ефективні ніж імітаційні. На сьогоднішній день навчальні та дослідницькі експерименти присутні в декількох різноманітних областях: управління дискретним виробництвом, аерокосмічні застосування, PID регулювання, прогнозуюче управління, вбудовані комунікаційні системи, потокове відео та аудіо та інші. Є також декілька проектів, в яких ряд закладів об'єднують свої зусилля, щоб зробити дистанційну мережу лабораторій, таких як LabNet, CyberLab, RwmLAB, DSP-based Remote Control Laboratory, DEEDS, NCS Laboratory,  MARVEL, RExNET,  iLabs та інші.
    Хоч на перший погляд концепції практичних, імітаційних та дистанційних лабораторій дуже різні і дещо суперечливі, більш детальний аналіз показує деякі цікаві загальні риси.     Перш за все слід відмітити, що у практичних лабораторіях студенти працюють безпосередньо біля пристрою і неправильна їх експлуатація може потягнути за собою небезпечні ситуації для обладнання, студентів та персоналу. Враховуючи необхідність безпечної експлуатації лабораторних робіт студентами більшість практичних лабораторій для вивчення дисциплін промислової автоматики включають в себе системи безпеки, такі як блокувальні пристрої, автоматичні системи захисту а також віддаленого контролю та супервізорного управління. У деяких випадках студенти можуть взаємодіяти тільки через засоби людино-машинного інтерфейсу (ЛМІ), так що навіть у випадку фізичних експериментів між експериментатором та об’єктом знаходиться комп’ютер.     Нерідко також буває, що такі ЛМІ розміщуються в диспетчерських, аналогічно як і на реальному виробництві, ізольовано від фізичних об’єктів.
    Це приводить до того, що в усіх видах розглянутих вище лабораторій (практичні, імітаційні чи дистанційні) експерименти проводяться опосередковано через комп’ютер, стираючи межі між ними, цим самим роблячи "психологію присутності" більш важливою ніж технологію.
    Враховуючи плюси та мінуси фізичних та імітаційних експериментів, можна побачити що в деякому сенсі вони являються взаємодоповнюючими, так що поєднання обидвох дає додаткові переваги. Імітаційне моделювання, хоч і не є реальним, має деякі особливості, які можуть бути використані в різних навчальних сценаріях. Одна з головних переваг використання імітаційних лабораторій полягає в тому, що вони можуть бути легко повторно відтворені. Студенти можуть використовувати декілька копій (реплікацій) одних і тих саме моделей одночасно. Як вже згадувалося, ще одна перевага використання імітаційного моделювання в тому, що студенти можуть прискорити повільну динаміку систем для швидкої отримання результатів. Крім того, проблеми безпеки виходу імітаційної змінної за межі не так важливі як в фізичному експерименті, так як процес не може зашкодити життю і здоров'ю людини.
    Наявність переваг різних типів експериментів стало мотивацією для створення стратегії взаємодоповнюючих компонентів, яка була розроблена, щоб дозволити поєднання реальних (фізичних) і імітаційних компонентів в навчанні інженерів з автоматизації. Основна ідея передбачає, що студенти, як правило, взаємодіють як з реальним так і імітованим об’єктом через засоби ЛМІ. Таким чином ЛМІ забезпечує тільки відображення стану та опосередковане управління, тому експериментатори не в змозі відрізнити чи працюють вони з реальним обладнанням чи з імітатором. Імітаційні компоненти можуть бути комбіновані з реальним обладнанням для ілюстрації різноманітних навчальних ситуацій. Для прикладу, імітаційне виробництво може використовуватися для оцінки та контролю можливих наслідків спрацювання, уникаючи пошкодження фізичного обладнання, яке могло би відбутися в реальному виробництві у випадку помилок в алгоритмі керування. А імітований регулятор, взаємодіючий з реальним процесом може допомогти краще оцінити поведінку регульованої змінної.     Використання імітованого виробництва разом з імітаційним алгоритмом управління може бути дуже корисним, оскільки змінюючи налаштування швидкості поведінки повільних технологічних процесів можна пришвидшити процеси ідентифікації та параметрування.
    Наведена вище ідея знайшла розвиток в концепції віртуальних лабораторій. Віртуальні лабораторії являють собою середовища розподіленого моделювання, які призначені для виконання інтерактивного моделювання математичних моделей реальних систем, який по суті значить віртуальний доступ до імітаційної лабораторії. По відношенню до цього визначення важливо відмітити, що термінологія, яка використовуються в існуючій літературі не являються послідовною і часто є заплутаною.     У таблиці 1 коротко показані основні характеристики типів лабораторій, які обговорювалися вище.
 

доступ

обладнання

Тип лабораторії

 

локальний

реальне

практичні лабораторії

імітаційне

імітаційні лабораторії

 

віддалений (дистанційний)

реальне

дистанційна лабораторія

імітаційне

віртуальна лабораторія

віддалений або/та локальний

 

реальне/імітаційне

 

взаємозалежні компоненти

    Зовсім недавно були зроблені великі досягнення в таких областях як комп’ютерна графіка, змішана реальність та віртуальна реальність. Віртуальна реальність визначається як "переживання, в якому людина оточена тривимірними комп’ютерно-генерованими представленнями, здатна пересуватися у віртуальному світі і побачити його з різних кутів, щоб досягнути його,  захватити його, і змінити його".
Інше визначення віртуальної реальності як "таке, в якому користувач знаходиться в інтерактивній обстановці що є або реальною з віртуальним розширенням реальності (доповнена реальність) або віртуальною з розширенням фізичними(реальними) засобами (доповнена віртуальність) "
    Базуючись на вищенаведених визначеннях, "змішана або доповнена реальність" визначена як реальний, прямий або непрямий вид практичних лабораторій, де фізичні пристрої доповнені комп’ютерно-генерованими елементами чуттєвого введення звуку, відео, графіки або іншої інформації. Інтерфейси змішаної реальності можуть накладати графіку, відео і аудіо на реальний світ і відображати результат на планшетних та вмонтованих дисплеях з відображенням інформації. З них студенти можуть отримати інформацію про структуру та поведінку обладнання і як на ньому працювати.     Аналогічним чином можна побудувати цифровий макет в 2D та 3D перспективі, для графічного представлення пристрою в віртуальних лабораторіях, що дає можливість графічно представити реальні пристрої їх віртуальними моделями. Приклад гнучкої експериментальної конфігурації є система deriveSERVER.
    Додатково до інших підходів, концепція "відчуття знаходження на місці" може бути широко розширена через занурення користувача в навколишнє середовище. Тобто користувачі повністю бачать себе в лабораторії (відчуття поглинання). Вони вивчають цей віртуальний світ (метавсесвіт) через свої аватари, тому віртуальна присутність приймається всіма користувачами, особливо під час взаємодії. Порівняно з іншими електронними інструментами для дистанційного зв’язку, представлення метавсесвіту покращує почуття знаходження там (в класі), а не бути безтілесним спостерігачем, як в більшості 2D віртуальних середовищах. Прикладами доступного програмного середовища, що може використовуватися для побудови лабораторії віртуальних світів є Second Life, Active Worlds AWEDU, Open Simulator та Open Wonderland. Враховуючи, що за допомогою цих інструментів можна побудувати додатки, аналогічні іграм, але з метою професійного використання (у даному випадку для цілей освіти), вони називаються "серйозні ігри". 
    У цій області є декілька термінів, якими користуються при застосуванні віртуальних світів як платформу для віртуальних лабораторій. Визначення “FutureLabs” використовується для     відношення цієї теми до проекту ScienceSim. Дослідники з університету Деусто і Іспанії використовують  Second Life для побудови «WebLabs», де віртуальні об’єкти зв’язані з програмними утилітами, розроблені для програмування microbot'а (маленького робота). Після програмування робота, користувач може подивитися відео поведінки робота онлайн в Second Life. Вони назвали їх лабораторію як “Second Labs”. В тому ж напрямку MIT дослідники скористувалися реалізацію бувшого Wonderland (тепер Open Wonderland) як розсадник для цілого ряду фізичних експериментів з їх iLabs. Ці реалізації посулговуються  Java-технологіями та їх концепцією TEAL (Technology Enabled Active Learning) для підвищення дидактичності в деяких реалістичних експериментах з фізики.
    Більшість теперішніх реалізацій лабораторій на базі віртуальних світів, змішаної реальності, додаткової реальності і віртуальної реальності покладаються тільки на комп’ютерні медіа–інтерфейси між студентом та лабораторією. Хоч ці інтерфейси мають підвищену здатність генерувати дуже реалістично візуалізацію, вони як правило надають тільки візуальні та звукові зворотні зв’язки, які можуть бути достатніми для деяких застосувань. Однак, в окремих областях навчання, наприклад інженерів з автоматизації або медицині, теж важливі такі почуття як смак, запах, температура, рівновага і прискорення. Це породило розвиток того, що можна назвати "лабораторією множини почуттів", які доповнюють лабораторії на базі віртуальних світів додатковими інтерфейсами, таким як тактильні (дотик), теплові і т.д. Взаємодія може бути зроблена з одним або декількома користувачами на одному і тому ж самому фізичному місці і включають різні почуття.


3. Вбудовування лабораторій в системи електронного навчання (E-LEARNING системи)

 
    Вище розглянута еволюція лабораторій, що активувалася з розвитком ІТ. Однак досвід показав, що наявність цих різних видів лабораторій не являється достатнім для забезпечення успіху у процесі навчання інженерів з автоматизації. Наприклад, дистанційні лабораторні експерименти, стратегія яких базується на методі "спроб і помилок"  без додаткового навчального матеріалу, мають набагато меншу ефективність, ніж очікувалося. Крім того, цілодобова доступність лабораторій також вимагає цілодобової доступності вчителів та тьюторів для забезпечення онлайнової допомоги.     Для того, щоб полегшити ці проблеми, дистанційні експерименти можуть бути інтегровані з віртуальними навчальними середовищами  (VLEs) для управління і надавання навчальних матеріалів до і під час експерименту. Автори [1] вважають, що такі комп’ютерно-підтримувані суміщені середовища (Computer Supported Collaborative Environments CSCEs) для навчання інженерів з автоматизації та керування повинні включати:
- загальну робочу область для освітніх засобів і теоретичних матеріалів модулів – віртуальний простір для розміщення загального навчального матеріалу (як правило виконуються VLEs);
  • 3D соціальний інтерфейс – відповідає за надання можливості користувачу занурюватися у віртуальний всесвіт, що керується середовищем e-learning
  • зворотній зв'язок користувача і адаптація контенту – використовується для створення автоматичного зворотного зв’язку та/або адаптації контенту (навчального матеріалу)
  • інтеграція лабораторії або експериментів з системами електронного навчання (VLEs)
  • система навчання, що включає декілька моделей користувачів і може автоматично дати вказівку (зазвичай називається інтелектуальними системами навчання)
  • підтримка роботи команди та співробітництва між студентами
  • розширення відчуття занурення – використання декількох рівнів систем реагування не тільки зору та слуху а також смаку, температури, балансу і т.д.
  • концепція серйозних ігор – використання ігор-подібних рішень, які захватують увагу і навчають під час розгляду 
    На сьогоднішній день немає такої реалізації системи, яка б інтегрувала усі вказані функції, але є декілька цікавих робіт, які включають дві або більше із цих характеристик і які будуть обговорюватися нижче.    
    Використання віртуальної реальності, як інструменту для навчання було запропоновано і обговорено декількома дослідниками. Інтерфейси комбінованої (змішаної) реальності дозволяють створювати загальні робочі області, які суміщають переваги віртуальних середовищ в контакті з реальним навколишнім середовищем. Накладання інформації використовується для можливості розмови віч на віч, виробництва загальних інтерактивних віртуальних моделей. У цьому випадку методи комбінованої реальності може виробити загальне почуття реальності присутності. Таким чином підходи комбінованої реальності ідеальні для мульти-користувацьких колективних лабораторій та робочих застосунків    
    Майстерність колективного навчання в основному пов’язана з соціально-конструкціоністською педагогічною лінією навчання. Колабораторії (загальний робочий простір) – є добре відомими асоціаціями колективних інструментів з дистанційними лабораторіями (експерементами). Це рішення приносить не тільки підтримку співробітництва, але і сприяє тому, що декілька студентів взаємодіють в одному експерименті.       
    Інтерактивні VLEs є ефективними педагогічними ресурсами, які добре підходять для веб і дистанційної освіти. Їх інтерактивність заохочує студентів грати більш активну роль в процесі навчання і забезпечує реалістичний практичний досвід. Крім того VLEs широко використовується для науки, навчання в таких областях як машинобудування, фізика, математика або біологія, оскільки вони надають доступ через загальнодоступні Веб-сайти для практичних експериментів з будь якої точки світу. Тим не менше, більшість VLEs, що добавлені в  середовище Web-навчання призначені для індивідуального використання, і вони не дозволяють колективно діяти студентам і викладачам або групам для здійснення якоїсь діяльності. Інтеграція VLEs всередині середовища колективного навчання можна побачити в  eMersion. Ця Web-сумісна платформа вміщує декілька VLEs за допомогою яких студенти можуть експериментувати і добиватися результатів разом з іншими студентами та викладачами.  
    Злиття  Web-сумісних VLEs та Віртуальних Світів представляє один із підходів під назвою    SLOODLE, проект що описує злиття 3D-сприйняття світу Second Life з платформою MOODLE для відображення на Веб-сумісний навчальний клас з навчальним середовищем та інтерактивними об’єктами.  Спільнота SLOODLE-партнерства розробила опен-соурс безкоштовний пакет, який включає в себе скрипти і модуль  MOODLE (набір файлів PHP) забезпечуючи прямі посилання ресурсів VLE на HTTP і XML-RPC запити.  
    Електронна навчальна Лабораторія сонячної енергетики має систему комплексного навчання (MOODLE) з декількома навчальними матеріалами і "вікторини" для визначення рівня розуміння. Спочатку студенти повинні пройти декілька теоретичних випробувань, після чого система надає доступ до дистанційного експерименту, тобто реальної сонячної електростанції. Є також аналогічні системи для експерименту по налаштуванню PID. Аналіз експериментальних даних дає можливість визначити проблеми в налаштуваннях PID і автоматично виводить який навчальний матеріал повинен бути розглянутий студентами.

 

Comments