18 декабря 2016г.
Аннотация
Студенты могут получать необходимую информацию лабораторных исследований одинаково хорошо из двух типов лабораторий: из виртуальной и физической лабораторий. Существует большой потенциал в применении 3D виртуальной лаборатории, основанный на поддержке преподавания и обучения в областях науки. Кроме того, важно найти практические пути для проектирования и разработки интеллектуальных систем на основе 3D-технологий с ограниченными формами сложности. 3D виртуальные среды обеспечивают погружение в учебное содержание, а также взаимодействие в виртуальном мире в игровой форме, которое регулируется установленными научными принципами. Поэтому люди рассматривают формы компьютерного моделирования - обучения, которые требуют меньших организационных и материально-технических усилий. Среди них, трехмерная виртуальная среда является важной частью этой системы в активизации процесса обучения. Эта статья призвана разработать и внедрить 3D виртуальные лаборатории, которые рассматриваются в качестве недорогой альтернативы для преподавателей и студентов, в электронном обучении. Данное исследование фокусируется на виртуальной сборке инструментов, реализации динамических 3D-измерительных приборов, а также установки систем эмуляции на основе, которые являются ключевыми факторами, чтобы предоставить студентам полное погружение в 3D виртуальную лабораторию. В статье также описана настройка сетевого окружения этой виртуальной лаборатории; в этой сети, сервер контролирует параметры, пользовательские операции и процессы экспериментов. И, наконец, это исследование включает в себя проектирование и развертывание сложных приложений, который сочетает в себе передовые визуализации, интерактивное управление посредством сложных виртуальных устройств и интеллектуальных компонентов.
1. Введение
Крайне желательно, чтобы теоретическая наука была связана с реальным миром. Научные эксперименты рассматриваются как важные методы и процессы, чтобы понять научные явления и дальнейшее изучение их научных принципов. Эксперименты, которые студенты выполняют в реальных лабораториях играют важную роль в преподавании и обучении. Виртуальные лаборатории, в качестве недорогого альтернативного решения вместо реальных лабораторий, набирают все больше и больше внимания в области электронного обучения.
Myneni и др. [2] разработали платформу моделирования ВИПС для изучения понятий физики в средней школе. С помощью виртуальной настройки системы шкива, пользователь сможет имитировать соответствующие проблемы, возникающие в обучении.
В прежних исследованиях [3], была разработана виртуальная 3D игровая среда для интеллектуального обучения задачам физики и алгебры. Благодаря этой платформе, пользователь может узнать и понять теории физики в притягивающей и интуитивной форме. Теория и практика являются важными в систематической среде обучения.
На западе используют некоторые особенности в школах и колледжах при создании виртуальных лабораторий, например, в Unidad Educativa Señora del Cisne [4] есть виртуальная лаборатория физики, где студенты первого семестра учебного года могут осуществить свои исследования наравне с академическими видами деятельности. Кроме того, различные учебные учреждения в странах Запада оснащены современными компьютерными лабораториями, которые поддерживают, улучшают обучение и повышают образовательную конкурентоспособность. В системе высшего образования есть некоторый опыт [5], который описывает разработку виртуальной лаборатории с интеллектуальным репетитором, для изучения и программирования мобильных роботов. Эта лаборатория позволяет моделировать мобильного робота для определения, внедрения и исполнения планирования пути.
Для преподавания в учебных учреждениях необходимо большое количество научных инструментов. Для примера в эксперименте по физике, нам нужны простой инструмент, такой как линейка для измерения длины, или комплексный для измерения масштаба и взвешивания объекта. Полное понимание структуры лаборатории является важным условием, которое гарантирует правильное выполнение студентами соответствующих экспериментов. Virtual assembly (VA), также хорошо известная нам компьютерная технология моделирования в инженерных областях, обычно используется для сбора информации о продукте, а в дальнейшем для улучшения или изменения его свойств [6]. В то же время, VA также используется в области обучения, чтобы учащиеся освоили структуру и операции продукта [7].
Из этого следует, что идеальная виртуальная лаборатория для электронного обучения должна иметь функциональные возможности для моделирования процессов сборки и разборки инструментов. В этой статье были представлены выводы о строительстве виртуальной лаборатории. Виртуальная лаборатория обеспечивает следующие инструментальные модули: инструмент ручной и автоматической сборки, сборка анимации для обучения и моделирования, с помощью которой пользователь может спроектировать и настроить эксперимент, смоделировать экспериментальные процессы и получить соответствующие экспериментальные данные.
Структура данной статьи состоит из раздела II, информирующего о моделировании сборки, которая представляет собой последовательность, определяющая существующие части, которые в настоящее время эксплуатируются. Раздел III подчеркивает модуль дизайна, который позволяет создавать все категории виртуальных измерительных приборов в 3D. Раздел IV представляет собой модуль моделирования, который обеспечивает основную структуру и архитектуру экспериментального прибора. Раздел V объясняет о сетевом модуле, который может управлять учителем. Раздел VI относится к выводам.
2. Моделирование сборки
Перед процессом сборки необходимо подготовить части системных приборов. Каждая 3D модель в области электронного обучения получают игровую-статистическую модель, а это значит, что не существует ограничения информации в этих моделях, благодаря чему эта модель делается более гибкой. Таким образом, моделирование сборки для электронного обучения может отличаться от тех моделей, которые используются в инженерной области. Ограничение сборки является своего рода важной информации в VA. Все детали расположены в соответствии с их ограничениями. Сдерживающий фактор в системе выражается двумя матрицами, первая является матрицей ограничения близости(смежности) (САМ), а вторая является матрицей «позиция-отношение» (PАМ).
2.1. Планирование последовательности сборки
Принимая во внимание инструменты, которые обычно используются в учебных учреждениях, не являются очень сложными, и каждый из них, как правило, содержит не более чем 20 частей. Таким образом, для планирования последовательности сборки, матрица ограничения близости(смежности) [7-8] используется в качестве вспомогательного суждения как показано в уравнении (1).
Последовательность сборки определяет текущие части, которые могут быть в настоящее время прооперированы. Как правило, «студент» будет начинаться с базовой части (самый большой компонент, и который подходит для большинства других), а затем будут добавляться другие компоненты базовой части шаг за шагом на основе последовательности сборки. В процессе сборки, может быть больше, чем одна текущая часть. Когда часть выбрана, итеративный процесс выполняется
для выяснения
того является ли
это
текущей частью или нет, см. Рис. 1.
Алгоритм планирования последовательности сборки встроен в ручной процесс сборки, показанной на Рис. 2. Когда студент учится сборке, он выбирает и перемещает текущую часть. После того, как текущая часть сталкивается с другой, и они не находятся в группе монтажного узла, появится информационная подсказка, чтобы предупредить, что эти две части могут не собраны вместе.
Если эти две сталкивающиеся части находятся в подгруппе, то студент направляется, чтобы отрегулировать положение и отношение со стороны. Пороговое значение устанавливается для указания, если часть готова к сопряжению. Если относительное положение части меньше этого порогового значения, то часть
отображается в ярком цвете.
На
этом
этапе
система
автоматически регулирует
положение и отношение со стороны, а затем завершается процесс сборки для этой части.
2.1.
Планирование пути сборки.
Путь сборки - это траектория движения частей в виртуальной среде сборки, чтобы обеспечить более быструю и эффективную сборку. В виртуальной среде 3D, путь сборки означает
серию точек или кривую от начала в матрице позиция-отношение (РАМ) и конца РАМ. Для ручной сборки, ученик выбирает и перемещает
часть, и избегает препятствий посредством обнаружения столкновений.
Когда он заканчивает с процессом сборки, путь сборки естественным
образом генерируется. Эта путь сборки записывается в файл анимации во время процесса сборки, и будет использоваться для воспроизведения шагов деятельности.
Это очень важно понимать оценку обучения. Помимо этого анимационного файла, созданного студентом, система используется другими для автоматизированной сборки или сборки моделирования. Студент может выбрать автоматическую сборку, чтобы непосредственно наблюдать за процессом и узнать базовые знания об этом экспериментальном приборе.
1. Калибровочное Моделирование
Системы виртуальных экспериментов выходят в 2D-формах [9], этот 2D-интерфейс делает их менее привлекательными и менее популярными среди молодых студентов. В реальных лабораториях нам нужны различные датчики и приборы для измерения и сбора различных физических величин, таких как длина, время, сила, частота электрического тока, электрическое напряжение и т.д. Модуль калибровки предназначен для создания всех категорий виртуальных датчиков 3D. Каждый 3D датчик обычно состоит из трех частей, см.
Рис.
3. Один из них является базой,
которая,
как правило, создается 3D дизайнером. Второй представляет собой панель. Каждый слой датчика предназначен для имитации динамического источника данных. Третий представляет собой контроллер сообщений, который состоит из кнопок. Эти кнопки моделируются акторами, которые могут испускать и принимать сообщения.
2. Модуль Моделирования
Разница с VA в инженерной области, где цель состоит в том, чтобы обучать и совершенствовать навыки сборки. VA используется в электронном обучении только для того, чтобы помочь студентам в понимании основных структур и архитектур экспериментального инструмента, и, наконец, помочь студентам разработать этот инструмент для имитации научного процесса. Модульное моделирование отвечает
за имитации установок, созданных обучающимися.
3. Сетевой Модуль
С развитием сетевых технологий используется большинство сетевых систем
виртуального обучения, но в основном в военном и промышленном применении. Но, необходимо отметить, что, до сих пор большинство сетевых систем обучения основано на 2D виртуальных инструментах, а также 2D- инструменты в них используются только для статического отображения, а не для динамического моделирования. Виртуальная лаборатория построена на среде локальной сети (LAN), см. Рис. 4. Сервер, который
может управляться учителем, контролирует выбор
и операции пользователей и контролирует процессы экспериментов.
4. Вывод
С одной стороны, существующие виртуальные лаборатории для обучения должны быть улучшены из-за ряда вопросов, таких как 2D формы учебной среды, слабая привлекательность для молодых студентов, и слабая реальность экспериментов. С другой стороны, виртуальные лаборатории с высоким качеством, реалистичной 3D-графикой и высоким уровнем интерактивности широко используется только в военной подготовке или промышленности. Для построения виртуальных лабораторий высокого уровня это исследование представлено с двух точек: (1) интеграция технологии сборки в виртуальных лабораторных экспериментах; (2) введение 3D-датчиков в виртуальные лаборатории. Эти две точки могут значительно повысить реальность и привлекательность виртуальных лабораторных экспериментов, так как экспериментальные задания в виртуальной лаборатории не только помогут студентам лучше понять научные процессы и правила, но и научить их тому, как применять полученные знания на практике.
Список литературы
1. Mohamed EA, Hasegawa S. An Instructional Design Model and Criteria for Designing and Developing Online Virtual Labs. International Journal of Digital Information and Wireless
Communications 2014; 4(3): 355-371.
2. Myneni LS, Narayanan NH, Rebello S. An interactive and intelligent learning system for physics education, IEEE Transactions on Learning Technologies 2013; 6(3): 228-239.
3. Sun DL, Barba Y, Valdiviezo R, Riofrio, G. BDI modeling of the intelligent tutoring
actor for a 3D game-based science e-learning platform. Submitted to Journal of Educational Technology & Society.
4. Unidad Educativa Señora del Cisne. Retrieved September 1, 2015 from http://uenscisne.edu.ec/
5. Ortiz ME. Desarrollo de un Laboratorio Virtual Básico de robótica
móvil con tutor inteligente. Trabajo fin de Carrera presentado en la Escuela politécnica del ejército de Sangolqui en Ecuador, 2006. Available on:
http://repositorio.espe.edu.ec/bitstream/21000/659/1/T-ESPE021791.pdf
6. Yang R, Fan X, Wu D, Yan J. Virtual assembly technologies based on constraint and DOF analysis. Robotics & Computer-Integrated Manufacturing 2007: 23(4): 447-456.
7. Zhao H, Zhang Q, Zhu C, Ji L, Xu T. Design
of virtual assembly operation evaluation system based on EON platform. Advanced in Computer Science and its Application 2012; 2(1): 295-301.
8. Deshmukh A, Banerjee A, Gupta S. Content based assembly search: A step towards assembly reuse, Computer-aided design 2008; 40(2): 244261.
9. Hoyer H, Jochheim A, Rohrig C, Bischoff A. A multiuser virtual-reality environment for a tele-operated laboratory. IEEE Transaction
on Education 2004; 47(1): 121-126.
