约克大学混合实验室体验：将动手探索与虚拟化的灵活性相结合
约克大学
混合实验室体验：将动手探索与虚拟化的灵活性相结合
作为Lassonde工程学院的创始成员, 多伦多约克大学地球与空间科学工程系（ESSE）在全校四年制控制理论课程方面发挥着关键作用。随着COVID-19疫情要求加拿大各地的学校转向线上教学，教育部面临着为180多名注册该课程的学生提供有意义的远程实验室体验的挑战。通过采用Quanser Interactive Labs（QLAB），以及对Quanser物理硬件的远程访问，该部门成功的提供了混合实验室方案，并重塑其工程实验的方法。
理论、实践和实验对控制理论学习至关重要
2020年夏天，约克大学ESS系主任Shan Jinjun教授要求Quanser帮助他在2020年秋季学期提供他的控制理论在线课程。《控制系统导论》（ENG 4550）是一门三学分课程，向学生介绍经典控制理论。从动态系统建模到通过反馈修改系统行为，本课程的目标是培养对控制系统理论及其在工程设计中的作用的基本理解。本课程的一个关键要素是一系列的实验室课程，在这些课程中，学生通过实际的物理对象，接触到许多实际的控制理论问题。在前三个实验室中，将向学生介绍MATLAB®/Simulink®环境以及Quanser的QUARC实时控制软件，然后是七个实验课程，涵盖直流伺服电机的系统建模和验证、位置控制和速度控制。
在过去的几年中，入学人数稳步增加，特别是工程学院的更多学生被要求参加该课程。根据ESS的实验室技术人员Ian Tomaszewski的说法，在2019冠状病毒疾病疫情之前，最后一次课程有超过180名学生注册。考虑到班级规模，管理本课程实验室的后勤工作一直是一项重大任务。更为复杂的是，约克大学在疫情期间对进入实验室实施了严格的规定。这意味着Shan教授必须设计出一种远程解决方案，让学生真正体验到课程自己动手的部分。
混合方法：真实硬件的重要性和虚拟孪生的灵活性
当Shan教授和他的团队开始为这门课程设计远程实验室时，他坚持认为必须有一个动手的组件，让学生与真实的硬件进行交互（尽管是远程的）。事实上，直到几年前Shan教授接手控制课程，他才在ENG 4550中引入了一个动手组件。Shan教授表示，“有很多工具可以用来设计和仿真控制器，比如MATLAB®和Simulink®，但我想让学生自己看看当他们在物理对象上实现控制器时，该系统是如何响应的，即使它是一个简单的直流电机。” Shan教授指出，其他基本但重要的因素包括要求学生按照手册中的说明在放大器、设备和数据采集系统之间建立连接。
Tomaszewski 负责实施一个稳健的解决方案，其最初的策略是使用现有的Quanser旋转伺服基本单元，安装一台带有网络摄像头的PC，让学生使用Windows远程桌面连接应用程序远程连接到实验室PC，并使用Zoom会见实验室讲师（图1）。
图1：远程实验室设置
经过几次成功的试验后，为秋季学期设立了26个学时。然而，安排单个远程实验课程的后勤问题仍然存在，课程规模大，伺服单元有限。为了缓解这个问题，Shan教授决定在课程中加入模拟部分。幸运的是，旋转伺服基本单元的数字孪生刚刚发布。经过短暂的试用，Shan教授相信QLabs虚拟旋转伺服基本单元（图2）将为学生远程提供有意义的硬件体验。
图2：虚拟旋转伺服基本单元
虚拟旋转伺服基础装置的几个方面使Shan教授确信QLabs是市场上最好的解决方案。Shan教授说：“丰富的图形和可视化的整体质量令人印象深刻，就像一个实际的设备放在你的桌子上！”此外，QLAB与实验中已使用的现有MATLAB®/Simulink®模型无缝集成。这大大减少了他们为课程开发的现有工作簿的修改需求。同样重要的是，它允许每个学生以自己的方便和速度安全、独立地运行实验。
图3：实验室序列
如图3所示，学生们在总共十节课中完成了六项必修的实验活动。在前两个课程中，向学生介绍了MATLAB®/Simulink®环境、QUARC实时软件、QLabs和旋转伺服基本单元。安排了一系列课程，让学生通过Zoom与他们的助教联系，提出问题。其余的实验专注于旋转伺服基座单元惯性盘的建模、速度控制和位置控制。前三个实验使用QLabs完成，第四个实验远程访问物理对象完成。所有学生都被要求参加由助教主持的Zoom课程，助教亲自在实验室，并由实验室技术员和课程主管远程支持。在课程期间，学生将通过物理设备远程连接到指定的计算机以完成任务。
有效的体验式学习
据Tomaszewski说，实验室课程已经完成，没有出现任何重大问题。助教和学生的反馈也主要是积极的。Shan教授表示：“学生们对QLabs有着非常好的体验，因此即使在疫情之后，我们也会继续使用它。QLabs的一个好处是它可以随时随地使用。此外，它还让学生们对硬件有了非常好的了解，极大地帮助他们以后操作硬件。”
在课后调查中，超过70%的学生同意或强烈同意QLabs和远程硬件实验室的结合是一种有效的体验式学习方法。据一名学生说，“这是一次非常愉快的经历。使用虚拟实验室的方式完成实验是没有问题的。当使用硬件做实验遇到困难时，我使用QLabs的经验使过渡非常顺利。我认为使用QLabs是一个很好的决定，它有助于学生学习这门课程。”另一名学生回答说：“虚拟设备让我着迷，它们的变化如此之大，可以很好地模拟噪音。老实说，我不知道它们是怎么做到的，但我建议以后继续使用。
尽管Shan教授强调使用实际硬件，但他坚信数字孪生。根据Shan的说法，数字孪生可以推动创新和绩效，并通过更好地了解客户的需求来改善客户体验，以开发对现有产品，运营和服务的增强功能。虚拟孪生的好处不仅限于教学。它们很容易扩展到研究应用。无论您是为机械臂开发拾取控制器，还是为无人机开发飞行控制器，甚至是为自动驾驶汽车开发路径规划算法，在虚拟环境中开发和验证模型的能力都是安全的，它可以缩短开发时间，并且成本更低。
请记住，数字孪生并不是一项新技术。早在太空探索的早期，美国宇航局就率先涉足孪生技术。当阿波罗13号遭遇灾难时，这项技术（创新的镜像系统）被用来让工程师和宇航员决定如何营救任务。今天，美国宇航局使用数字孪生开发新的建议、路线图和下一代飞行器。
图 4：学生对涉及 QLabs 和远程硬件的混合方法
的有效性的反应
当前疫情尽管困难重重，大多数大学重新制定了他们的工程实验方法。那么，未来ESSE系的实验室会是什么样子呢？在2021年秋季学期，Shan教授计划实施混合方法，将QLAB的便利性与使用真实硬件的实际体验相结合。通过实验学习，无论是虚拟还是使用真实硬件，都是培养批判性思维所需的认知技能的最有效方法之一，例如解决问题和系统思维。这些能力是工业界工程毕业生成功的关键标志。通过为学生提供物理实验和虚拟实验，Shan教授希望学生能够拥有超越课程学习成果的工具。
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