約克大學
混合實驗室體驗：將動手探索與虛擬化的靈活性相結合

    作為Lassonde工程學院的創始成員, 多倫多約克大學地球與空間科學工程系（ESSE）在全校四年制控制理論課程方面發揮著關鍵作用。隨著COVID-19疫情要求加拿大各地的學校轉向線上教學，教育部面臨著為180多名注冊該課程的學生提供有意義的遠程實驗室體驗的挑戰。通過采用Quanser Interactive Labs（QLAB），以及對Quanser物理硬件的遠程訪問，該部門成功的提供了混合實驗室方案，并重塑其工程實驗的方法。

理論、實踐和實驗對控制理論學習至關重要

    2020年夏天，約克大學ESS系主任Shan Jinjun教授要求Quanser幫助他在2020年秋季學期提供他的控制理論在線課程。《控制系統導論》（ENG 4550）是一門三學分課程，向學生介紹經典控制理論。從動態系統建模到通過反饋修改系統行為，本課程的目標是培養對控制系統理論及其在工程設計中的作用的基本理解。本課程的一個關鍵要素是一系列的實驗室課程，在這些課程中，學生通過實際的物理對象，接觸到許多實際的控制理論問題。在前三個實驗室中，將向學生介紹MATLAB?/Simulink?環境以及Quanser的QUARC實時控制軟件，然后是七個實驗課程，涵蓋直流伺服電機的系統建模和驗證、位置控制和速度控制。
    在過去的幾年中，入學人數穩步增加，特別是工程學院的更多學生被要求參加該課程。根據ESS的實驗室技術人員Ian Tomaszewski的說法，在2019冠狀病毒疾病疫情之前，最后一次課程有超過180名學生注冊?？紤]到班級規模，管理本課程實驗室的后勤工作一直是一項重大任務。更為復雜的是，約克大學在疫情期間對進入實驗室實施了嚴格的規定。這意味著Shan教授必須設計出一種遠程解決方案，讓學生真正體驗到課程自己動手的部分。
混合方法：真實硬件的重要性和虛擬孿生的靈活性
    當Shan教授和他的團隊開始為這門課程設計遠程實驗室時，他堅持認為必須有一個動手的組件，讓學生與真實的硬件進行交互（盡管是遠程的）。事實上，直到幾年前Shan教授接手控制課程，他才在ENG 4550中引入了一個動手組件。Shan教授表示，“有很多工具可以用來設計和仿真控制器，比如MATLAB?和Simulink?，但我想讓學生自己看看當他們在物理對象上實現控制器時，該系統是如何響應的，即使它是一個簡單的直流電機。” Shan教授指出，其他基本但重要的因素包括要求學生按照手冊中的說明在放大器、設備和數據采集系統之間建立連接。
    Tomaszewski 負責實施一個穩健的解決方案，其最初的策略是使用現有的Quanser旋轉伺服基本單元，安裝一臺帶有網絡攝像頭的PC，讓學生使用Windows遠程桌面連接應用程序遠程連接到實驗室PC，并使用Zoom會見實驗室講師（圖1）。
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圖1：遠程實驗室設置
    經過幾次成功的試驗后，為秋季學期設立了26個學時。然而，安排單個遠程實驗課程的后勤問題仍然存在，課程規模大，伺服單元有限。為了緩解這個問題，Shan教授決定在課程中加入模擬部分。幸運的是，旋轉伺服基本單元的數字孿生剛剛發布。經過短暫的試用，Shan教授相信QLabs虛擬旋轉伺服基本單元（圖2）將為學生遠程提供有意義的硬件體驗。
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圖2：虛擬旋轉伺服基本單元
    虛擬旋轉伺服基礎裝置的幾個方面使Shan教授確信QLabs是市場上最好的解決方案。Shan教授說：“豐富的圖形和可視化的整體質量令人印象深刻，就像一個實際的設備放在你的桌子上！”此外，QLAB與實驗中已使用的現有MATLAB?/Simulink?模型無縫集成。這大大減少了他們為課程開發的現有工作簿的修改需求。同樣重要的是，它允許每個學生以自己的方便和速度安全、獨立地運行實驗。
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圖3：實驗室序列

    如圖3所示，學生們在總共十節課中完成了六項必修的實驗活動。在前兩個課程中，向學生介紹了MATLAB?/Simulink?環境、QUARC實時軟件、QLabs和旋轉伺服基本單元。安排了一系列課程，讓學生通過Zoom與他們的助教聯系，提出問題。其余的實驗專注于旋轉伺服基座單元慣性盤的建模、速度控制和位置控制。前三個實驗使用QLabs完成，第四個實驗遠程訪問物理對象完成。所有學生都被要求參加由助教主持的Zoom課程，助教親自在實驗室，并由實驗室技術員和課程主管遠程支持。在課程期間，學生將通過物理設備遠程連接到指定的計算機以完成任務。
有效的體驗式學習
    據Tomaszewski說，實驗室課程已經完成，沒有出現任何重大問題。助教和學生的反饋也主要是積極的。Shan教授表示：“學生們對QLabs有著非常好的體驗，因此即使在疫情之后，我們也會繼續使用它。QLabs的一個好處是它可以隨時隨地使用。此外，它還讓學生們對硬件有了非常好的了解，極大地幫助他們以后操作硬件?！?/div>
    在課后調查中，超過70%的學生同意或強烈同意QLabs和遠程硬件實驗室的結合是一種有效的體驗式學習方法。據一名學生說，“這是一次非常愉快的經歷。使用虛擬實驗室的方式完成實驗是沒有問題的。當使用硬件做實驗遇到困難時，我使用QLabs的經驗使過渡非常順利。我認為使用QLabs是一個很好的決定，它有助于學生學習這門課程?！绷硪幻麑W生回答說：“虛擬設備讓我著迷，它們的變化如此之大，可以很好地模擬噪音。老實說，我不知道它們是怎么做到的，但我建議以后繼續使用。
   盡管Shan教授強調使用實際硬件，但他堅信數字孿生。根據Shan的說法，數字孿生可以推動創新和績效，并通過更好地了解客戶的需求來改善客戶體驗，以開發對現有產品，運營和服務的增強功能。虛擬孿生的好處不僅限于教學。它們很容易擴展到研究應用。無論您是為機械臂開發拾取控制器，還是為無人機開發飛行控制器，甚至是為自動駕駛汽車開發路徑規劃算法，在虛擬環境中開發和驗證模型的能力都是安全的，它可以縮短開發時間，并且成本更低。
    請記住，數字孿生并不是一項新技術。早在太空探索的早期，美國宇航局就率先涉足孿生技術。當阿波羅13號遭遇災難時，這項技術（創新的鏡像系統）被用來讓工程師和宇航員決定如何營救任務。今天，美國宇航局使用數字孿生開發新的建議、路線圖和下一代飛行器。
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圖 4：學生對涉及 QLabs 和遠程硬件的混合方法
 的有效性的反應

    當前疫情盡管困難重重，大多數大學重新制定了他們的工程實驗方法。那么，未來ESSE系的實驗室會是什么樣子呢？在2021年秋季學期，Shan教授計劃實施混合方法，將QLAB的便利性與使用真實硬件的實際體驗相結合。通過實驗學習，無論是虛擬還是使用真實硬件，都是培養批判性思維所需的認知技能的最有效方法之一，例如解決問題和系統思維。這些能力是工業界工程畢業生成功的關鍵標志。通過為學生提供物理實驗和虛擬實驗，Shan教授希望學生能夠擁有超越課程學習成果的工具。
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