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用于科学，技术和工程教育的虚拟实验室：综述
Veljko Potkonjak a ,Michael Gardner b ,Victor Callaghan b ,Pasi Mattila c ,Christian Guetl d,e, Vladimir M.Petrovic a , Kosta Jovanovic a
摘 要
在教育领域，远程学习和开放大学等概念现在正越来越广泛地用于教学和学习。然而，由于主题领域的特性，当采用新技术方法（特别是在线远程学习）时，科学，技术和工程的教学仍然相对落后。这种差异的原因在于这些领域通常需要实验室实践来提供有效的技能和获取实践经验。通常很难使这些实验室能够在线访问。要么真正的实验室需要启用远程访问，要么需要作为完全基于软件的虚拟实验室进行复制。我们主张后者的概念，因为它提供了远程控制的真实实验室的一些优点，这将在本文中进一步阐述。
我们现在看到新的技术可以克服这方面的一些潜在困难。这些包括：计算机图形学，增强现实，计算动力学和虚拟世界。本文总结了基于虚拟实验室和科学，技术和工程领域的虚拟世界的现状。由于该领域在虚拟教育领域的成熟，对这些领域的主要研究活动进行了讨论，但特别强调了机器人领域。这不是巧合，从其广泛的多学科特性开始，机器人技术就是一个完美的例子，其中所有其他工程和物理学领域都可以提供帮助。因此，将虚拟实验室用于其他科学和非机器人工程用途可以看作分享许多相同的学习过程。这可以包括引入新概念作为学习科学和技术的一部分，引入更多的一般工程知识，通过在更复杂的工程主题（如机器人技术）中支持更具建设性（和合作性）的教育和培训活动。本文的目的是更详细地概述这个问题空间，并创建一个有价值的信息来源，以帮助确定未来研究的起始位置。
关键词：虚拟实验室、基于动态的虚拟现实、虚拟世界、工程/STEM教育的远程学习、沉浸式教育
1.介绍
最近，我们看到了许多关于未来教育的文献，特别是科学，技术和工程（STE1）的教学。其中一些概念是新颖的，而另一些则是在新的背景下对现有想法的重新构想。与本研究最相关的技术示例包括：远程学习，电子学习，虚拟实验室，虚拟现实和虚拟世界，虚拟化身，基于动力学的虚拟系统以及将这些想法融合在一起的沉浸式教育的全新概念。在Immersive Education Initiative（http：// immersiveeducation.org）和Immersive Learning Research Network iLRN（http://www.immersivelrn.org）等组织中，许多高度声誉良好的机构围绕这一具有挑战性的概念聚集一堂。所提及的主题和相应的技术可以为STE学科的高等教育开辟道路。沉浸式教育的概念已应用于教育的各个方面，其中包括：正式机构教育，非正式大规模教育和公司职业培训。
以前，基于互联网的远程教育是第一个应对因趋势而来的挑战的问题，教育全球化程度的提高（我们现在将其描述为全球能力3）这一趋势意味着消除所有障碍，这限制了接受教育的机会，从而使所有人都能接受教育，无论身在何处，个人残疾，社会地位等问题。在这个方向已经有了重大的发展，并且充分创造了这一点以互联网为基础的大学。但是，STE科学在这方面仍然远远落后，尽管已有值得一提的一些成功案例，如麻省理工学院开发的MOOC（海量开放式在线课程）。MOOC提供基于网络的交互式用户论坛，帮助为学生，教授和教学建立一个社区助理。技术和工程学科越来越需要远程教育，导致了新的课程提供使用正式机构和非正式的大规模在线教育方法。机构和远程学习提供商正在寻求扩大他们在STE领域内提供的在线课程的数量。机构仍为公司提供正式的专业培训。这可以包括两种培训，公司为员工提供的服务，以及为客户公司的员工举办的培训。在这些虚拟实验室的情况至少是初级和中级培训的经济解决方案。另一方面是出现了所谓的制造商运动，有兴趣的人可以围绕特别的社区项目聚集。其中一个关键方面是需要找到合格的参与者，可以涵盖项目中的所有不同问题，而不管他们居住的地点。这种非正式的创新方法，发展甚至制造，都需要使用新的方法和工具来支持协作，以及新产品和新技术的在线“共同创造”。这包括使用可支持虚拟的新平台实验室和在线实验。
仍然限制STE完全实现远程教育的问题在于，这些科学不可避免地需要将实验室实践作为技能获取过程的一部分。决议出现了两种不同的观点。一种方法是尝试开发具有远程访问功能的物理（实际）实验室，另一种方法则是开发一个完全基于软件的虚拟实验室。我们为后一种选择争论。远程访问物理实验室的第一种选择虽然可以创建，但可能过于复杂，特别是在所需的通信和感官控制硬件和软件以及设备和维护的总体费用方面。它也是一种相对低效的解决方案，具有较差的可扩展性（每次只有一名学生可以访问特定的工作场所），并且不容易支持更复杂的协作学习场景。完全基于软件的虚拟实验室可以避免其中的一些缺点。虚拟实验室系统和模拟器是STE教育和培训中期望的第一步，同时认识到更高级的学习者仍然需要实际设备的实践经验，这一点已被广泛接受。然而，随着计算机图形，虚拟现实和虚拟世界技术的迅速发展，只能在现实世界中完成的事情和虚拟世界中可以完成的事情之间的界限正在减少。
本文旨在支持虚拟实验室的更广泛应用。该研究针对更广泛的读者群，所有参与STE学科开发或实施电子和远程教育的人员，旨在为他们提供相关信息。它从技术角度解决问题，而学习理论和教育学的重要问题将成为单独出版物的重点。本文首先指出并比较了这些虚拟系统的优点和缺点。然后，我们将概述虚拟实验室的最新技术，并确定相关技术，并突出展示未来技术和应用进展的当前趋势。为了进行系统的评估和评估，我们制定了虚拟实验室的要求，然后用它来创建评估标准（第3节）。在第4节中，对现有虚拟实验室进行严格审查是基于所采用的标准。所有STE学科都被考虑在内，重点放在工程学，特别是机器人学。这部分可以被认为是本文的核心。第5节介绍了虚拟世界的现状。创建3D虚拟空间所需的技术。尽管在虚拟实验室中很少使用这些技术，但由于将虚拟实验室完全集成到虚拟世界中的愿景是未来研究和开发的主要挑战之一，因此这些技术引人关注。然后我们确定未来发展的趋势，第6节对此进行了总结，第7节提供了一些总结性评论。本文最后列出了一份完整的参考文献。
2.虚拟实验室的优点和缺点
如上所述，我们的兴趣主要在完全基于软件的虚拟实验室中。所以，现在应该指出虚拟实验室在物理实验室方面的优势，而不管后者是用于现场还是远程工作。虚拟实验室的潜在缺陷和问题也将被指出。
首先关于优点：
- 节约成本：虚拟系统为学校和大学提供了一个高性价比的方式，可以在STE学科中组织高质量的实验室工作。
- 灵活性：涉及可轻松创建的不同组件（虚拟设备）的不同虚拟（模拟）实验。
- 多重访问：多名学生可以同时使用相同的虚拟设备。
- 更改系统配置：可以修改在实际系统中经常无法更改的参数在机器人示例中，用户可以更改机器人链接，更换电机等。
- 抗损伤性：以虚拟机器人为例，允许与周围环境发生碰撞;也允许过载在这种情况下，机器人手臂会坍塌，用户用更强的东西代替电机后，机器人会再次升起并继续工作。因此，虚拟世界允许“损害”，从而开启从错误中吸取教训的可能性。
- 看到“看不见的东西”：大多数真实的实验室设备都有一个盖子来防止灰尘等;在大多数情况下，封面不能被删除，至少不容易。使用虚拟设备，封面可以简单地移除或透明。
揭示内部结构，以机器人为例，这可以打开手臂并显示电机和齿轮箱，观察并了解转子，定子，齿轮和其他传动部件（如皮带和主轴）。
现在关于问题和缺点：
- 第一个问题是由于对计算机资源的要求而产生的。对象的动态建模和3D CAD建模可能相当复杂，并且需要特别是如果对象集成在支持氛围概念的虚拟世界中。通用动态模型（通常称为“物理引擎”）就像Bullet软件一样可以解决广泛的系统类，但配置通常很耗时。基于广义协调和分析力学的专用动态模型速度更快，但是它们的问题是特异性字符可能会导致预期的各种对象之间的交互情况的问题。
下一个缺点来自虚拟系统的本质。该系统实际上并不存在，因此没有什么真正的坏事可以出来。这个事实有时会造成一个特定的学生的态度：缺乏认真，责任感，和细心，学生可能会觉得他们在玩电子游戏。让我们以一个例子来说明这一点。当看到机器的虚拟模拟时，与站在前面观看运动中的2米高的机器相比，不可能有相同的体验。类似的情况是当一个重型机器人对100公斤有效载荷进行快速操纵时。真正的体验立即让学生变得更加认真，负责任并且小心谨慎。
最后，这是一个事实（不需要证据），训练的最后阶段通常需要真实的装备获得这些优秀技能的唯一途径往往是通过实际的实践经验。
3.要求/标准
为了批判性地评估和评估虚拟实验室，我们需要首先制定评估标准。我们的标准将遵循一个关键要求（在创建物理实验室范例的全面虚拟替换时很明显），即：为学生操作虚拟实验室必须感觉他们正在真实的真实空间中使用真实的真实设备。从这个一般要求出发，可以制定以下四个评估标准：
（C1）每件设备的用户界面必须与相应的实际设备相同。
（C2）虚拟系统的行为（例如其状态和控制变量）必须等同于物理范例中的系统行为。
（C3）必须提供可视化，让学生感觉他们正在看真实的真实事物。
（C4）必须创建三维实验室空间，以便学生和实验室主管（或该领域的专家）之间进行交流和协作。
除了这些标准之外，还有其他一些可能在虚拟实验室中有用的其他标准。一个很好的例子是触觉界面。然而，对于所有考虑的实验室来说，这个标准的答案是“否”。因此，当完成虚拟实验室的比较时，该标准将不适用。未来的发展可能会提高系统性能并扩大标准清单。
本文将更详细地讨论所通过的四项标准，以便了解需要哪些支持性技术，并确定需要在此研究中进一步阐述的问题。
开发用户界面（C1）主要是编程问题，可以认为是相对简单的。这个标准对打算训练系统操作员的实验室特别重要。应该记住，复制真实设备的各个方面（例如用户界面窗口）时可能存在版权问题，并且可能需要许可来执行此操作。
标准（C2）的实现可以在两个层次上看到（Potkonjak，Jovanovic，Petrovic，Holland，＆Uhomoibhi，2013; Potkonjak等，2010）。
“较低级别”涉及培训系统的操作员（例如机器人程序员），他们需要学习如何对系统任务进行编程，并检查系统是否能够完成预期的任务。使用虚拟机器人（模拟器），这将涉及检查机器人运动学，并确保其准确执行编程的运动。这可以被认为是培训操作员在行业内的正常实践，因为实际上他们将在良好调整的系统中工作，并且在制造商定义的工作条件内，并且可以假定不会发生意外的干扰在这些假设下，系统机器人将准确执行什么编程。这种运动模拟器可以从许多机器人制造商处获得。为了避免过度引用非常相似的产品，我们将仅引用那些根据作者的意见为教育提供更多内容而不是简单的培训模式的内容。
为了支持“更高层次”的教育，这常常意味着提出特定系统（例如机器人）如何工作以及为什么以特定方式工作的问题。我们经常试图将原因和结果联系起来，最后寻找优化系统的方法。这对那些对机器人进行实验的学生来说很重要，特别是在非结构化的环境中，甚至可能会从头开始。为此，为了实现完全真实的行为，我们需要对系统动态进行建模，即使用动态数学模型来模拟物理系统的真实世界行为。因此，动态是一个重要的标准，因为现实行为是一个“必要条件”。
大多数可能的实验室应用程序都有数学模型，但并不总是包含在虚拟实验室中。系统动力学的数学表述取决于系统所属的领域。在介绍部分，我们已经区分了通用型号和专用型号。 然而，何时使用这种或那种方法的问题仍然存在争议。
可视化（C3）意味着需要所有系统元素（例如所有机器人部件）的3D CAD模型，并且必须定义它们之间的关系以便它们同步移动。这需要关注3D CAD建模。请注意，这个标准与存在物理运动的实验室（如机器人实验室）特别相关，而对于元素不移动的实验室（例如电路实验室），这通常不太重要。
创建共享空间（C4）需要使用3D虚拟世界平台，包括用户头像（Potkonjak，Jovanovic，Holland，＆Uhomoibhi，2013）。虚拟世界的使用在一段时间内稳步增长，主要用于视频游戏。最近的兴趣已经扩大到包括新的非休闲应用，引发了新的术语“严肃的游戏”。教育就是这些新应用之一。教学和学习空间已经形成，其中包括化身和文字和语音通信。通常，我们的研究表明，现有技术不容易支持系统动力学（特定对象的动态特性及其动态交互）。这意味着虚拟世界平台还没有准备好用于特定物理和动力学的整合[4]。需要进一步的研究和开发工作来将系统动力学整合到这些虚拟空间中。这是一个相当重要的问题，因为高质量的3D环境是创建完整虚拟实验室的关键因素（Huang，Rauch，＆Liaw，2010）。人们应该考虑到“玩一个复杂的教育游戏”时学生的动力增加（Ibanez，Di Serio，Delgado-Kloos，2014）。因此，本文将回顾虚拟世界平台的技术发展状况（第4节），以展示已有的解决方案和环境，以及如何开发适用于机器人和STE虚拟实验室的先进环境和新应用（第5节）。
4.虚拟实验室的最新技术
在过去的十年中，已经开发了许多基于软件的虚拟实验室，这些虚拟实验室在不同的领域得到了发展。在大多数情况下，它们是针对教育背景的，并且不适用于更广泛的工程学科的平台。这些实验室具有不同程度的技术复杂性。为了本文的目的，我们选择了与当前发展状况相关的例子，并且与已确定的未来趋势保持一致，并涵盖了不同的STE应用。调
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