第九届国际自动控制联合会会议论文集：控制工程教学辅助工具虚拟和远程实验室进展

第九届国际会计师联合会控制教育进展专题讨论会论文集国际自动控制联合会下诺夫哥罗德，俄罗斯，2012增强虚拟和远程实验室以执行自动评估G. Farias*，F. Gomez-Estern**，L.德拉托雷 *，D。穆尼奥斯·德拉佩尼亚 **，C.桑切斯 **，S. 睡着了 ** 瓦尔帕莱索天主教大学电气工程学院，智利瓦尔帕莱索，电子邮件：ucv.cl** 部门。塞维利亚大学（美国）系统工程与自动化专业，41092，Seville，Spain，电子邮件：fabio@esi.us.es; davidmps@cartuja.us.es;cscazorla@us.es* 部门。计算机科学与自动化，国立远程教育大学（UNED），28040，马德里，西班牙，电子邮件：ldelatorre@bec.uned.es;sdormido@dia.uned.es摘要：虚拟和远程实验室作为工程教育中的学习工具越来越受欢迎。实验室可以帮助学生以一种更人性化的方式理解实践和理论概念。通常情况下，学生们会在完成一系列与实验室一起进行的活动后，要求学生提交一份报告。教师可以根据学生的报告对每个学生进行评估。然而，评估的过程可能需要付出巨大的努力。如果正确的答案不是唯一的，这可能甚至更糟，就像稳定系统的PID参数一样。这就是自动化评估派上用场的地方。自动化评估可以减少评估学生报告所需的努力。[10]本文描述了一种通过使用Goodle服务器应用程序（实际上执行评估）和Java包AEE（将此功能添加到使用Easy Java Simulations创作工具构建的实验室）将自动评估添加到虚拟和远程实验室的方法。关键词：控制工程教学辅助工具，虚拟和远程实验室，控制工程电子学习。1. 介绍性介绍在过去的几十年里，信息和通信技术（ICT）对教育的影响越来越大。互联网、网络服务和视频会议等广泛传播的技术，以及其他技术，都促进了教育领域的重大进步。科学界已经投入了巨大的努力来利用这些新的可能性，将它们应用于工程教育的各个领域，包括控制工程（Dormido，2002; Gomes和Bogosyan，2009）。传统实验室的实验对于工程专业的学生来说是必不可少的，他们需要从理论和实践两个角度来理解基本概念。然而，与设备、空间和维护人员相关的高成本对资源施加了一定的限制。虚拟和远程实验室试图克服这一限制。虚拟和远程实验室（简称实验室）可以从ICT的许多进步中获得巨大的好处。有三个特殊的特征可以应用于工程教 育 （ Dormido 等 人 ， 2001 年 ） 。 2005; Farias ， 2010a）：网络通信、可视化和交互。像互联网这样的网络广泛分布在社会中，将世界各地的人们联系在一起。这为在任何时间和地点向学生提供学习资源提供了机会。在另一只手上，可视化和交互性已被成功地用于为虚拟和远程实验室添加教学和人类友好的层（Dormido等人，1999）。2008年; Farias等人，2010 b，2011; De la Torre等人，2010年，2011年a、b）。使用虚拟和远程实验室的最终目标是用它们进行实验。这样的实验是由学生进行的，以了解所研究的系统的实践和理论概念。通常情况下，学生必须遵循一系列的活动来进行实验。教师可以通过询问学生一些结果来评估每个活动的完成情况，例如可调整的PID参数、增益或系统的时间常数。然而，大量的活动或学生可能意味着教师的一个伟大的努力，当他们试图评估所有的学生的工作。在这些情况下，当自动评估最有帮助时，它是准确的。自动化评价是一个具有挑战性的领域，学术界已经以多种方式解决了这个问题。可能，多项选择题（MCQ）是最流行的方法，在大多数电子学习平台上都有实现。然而，在技术大学中，如果教师能够执行复杂的计算，如模拟，以验证学生的答案，这是一个很大的进步。在我们的框架中，这是通过部署一个新的基于代码融合的评估平台称为Goodle GMS（Muñoz de la Peña和Gómez-Estern，978-3-902823-01-4/12/$20.00 © 2012 IFAC 276 10.3182/20120619-3-RU-2024.00035第九届IFAC控制教育进展研讨会，俄罗斯下诺夫哥罗德，20122772009年），这将在第3节中简要描述。使用这种类型的平台，不仅通过允许教师专注于更具创造性的任务来减轻教师的工作负担，而且还通过设置持续的挑战和对学生工作的即时反馈来极大地增强学生的学习过程。这一目标往往是一个教师无法实现的。本文介绍了所谓的自动评估器元件（AEE），它允许在虚拟和远程实验室中执行自动评估。AEE提供了将教育评估添加到使用Easy Java Simulations（EJS）创建的应用程序中的可能性。EJS是一个免费的创作工具，旨在用Java 创 建 交 互 式 应 用 程 序 ， 而 无 需 特 殊 的 编 程 技 能（Esquembre，2004; Christian和Esquembre，2007）。这篇文章被组织为以下内容。第2节简要介绍了如何使用EJS创建虚拟和远程实验室。在第3节中，介绍了虚拟和远程实验室的自动评估。第4节介绍了EEE的使用。最后，第5节显示了结论和未来的工作。2. 带EJS的EJS是用Java开发的一个免费的开源工具，专门为创建离散计算机模拟而设计。图1：EJS用户界面。EJS最初是为低编程水平的用户设计的。用户只需要知道过程的分析模型和图形界面的详细设计，这是一个很好的例子。EJS的体系结构来源于模型-视图-控制（MVC）范式，其哲学是交互式模拟必须由三个部分组成：模型，它用1）变量的术语描述了所研究的过程，它保持了不同的可能性过程的状态，以及2）这些变量之间的关系，由计算机算法来表示。控件，用于定义用户可以在模拟中执行的某些操作。视图，它显示了过程状态的图形表示（现实的或示意性的）。EJS通过从MVC范例中删除"控制"元素、在模型中定义系统的物理、在视图中定义用户交互以及以无缝的方式链接两个部分，使事情变得更加简单（参见图1）。1）。因此，应用程序的创建分为两个步骤：1）通过使用EJS的内置模拟机制来构建要模拟的模型; 2）构建视图以显示模型状态及其对用户所做更改的反应。虚拟实验室和远程实验室可以使用EJS构建，并且可以使用客户端-服务器体系结构进行部署。客户端上的图形用户界面（GUI）是使用EJS设计和构建的，而服务器应用程序（充当实验室中实际工厂的网关）也是必需的。关于这一点的例子和更多信息可以在（Dormido等人，2008年，De la Torre等人2010年）。EJS和一些模拟示例可以从以下链接免费下载：http://www.um.es/fem。图2显示了这些应用程序的基本结构，其中远程客户端通过充当中间件通信层的服务器计算机来操纵位于实验室中的进程。来自远程设备的视觉反馈通常由指向实际设备的网络摄像头提供。图2：通过互联网对物理设备进行远程控制和操作。3. 自动化评估[编辑]自动评估是通过部署一个名为Goodle GMS的新型源代码融合和基于序列执行的评估平台来完成的，该平台将在下面简要描述。假设一个学生的练习可以通过产生一组学生计算的值来解决（例如，计算电子电路中一些电容器或电阻器的值）。此外，请假设这些值的数量和数据类型可能会因每个特定练习的需要而异。实现通用的基于Web的用户界面的最快方法是提供一个文本字段，学生用数字或字母分配填充该文本字段，用于实例化。第九届IFAC控制教育进展研讨会，俄罗斯下诺夫哥罗德，2012278MATLAB语言，包含练习的特定答案，如下面的示例所示：R1=10.5;C1=3.8;f1=cos（x1）;answer3现在，如果这些答案在Web服务器上作为源代码执行，则可以通过在这些分配之后执行指令提供的自定义代码来完成评估过程，以便检查分配是否正确。这种开放是一种新的范式，已经在不同大学的18个以上的技术学院课程中对25,000多名学生进行了测试，并在新的平台Goodle GMS下进行了测试（Muñoz de la Peña和Gómez-Estern，2009）。该平台支持多种语言和其他更复杂类型的练习，而不是参数分配（例如，算法、模拟......）。但是对于这里介绍的应用程序，MATLAB语言中的参数赋值是首选的框架。图3显示了评估过程的基本原理，以及学生和教师代码的合并方案。该体系结构的主要应用领域是计算机编程、控制系统技术、力学、物理学和数学，而其他领域（化学、CAD等）也在研究中。图3：Goodle GMS中的自动评估架构。自动化评估过程的复杂性范围从简单的赋值检查到基于学生设计的复杂模拟的启动。此外，可以对提交过程进行微调，以便检测和拒绝具有诸如不兼容代码、语法错误或未经授权的IP源地址等问题的提交。[10]为了使练习适应所有可能的情况，练习创建表（图4）必须由教师填写，方法是提供姓名、描述和排序等数据（字段1、2、3）;可选的预评估代码（4、5）用于变量初始化和可能的学生差异化;强制性的后评估代码（6），即在学生代码之后执行的实际评估者。其他选项包括选择性语法过滤器（不在EJS中）、源IP地址阻止、禁止学生使用的单词列表以及代码源语言和自动评估类型（在一组可能可用的体系结构中，将在其他地方描述）。为了使EJS适应Goodle GMS架构，我们在以后为为EJS创建的特定类型的练习引入了一些新的选项。基本语言是MATLAB，主要思想是以一种特殊的方式配置两者。教师代码的主要部分：预评估和后评估代码。特定于EJS的预评估代码意味着要执行的一组MATLAB指令，以便在MATLAB工作空间中生成一组变量，这些变量将在任务开始之前通过网络传输到学生EJS应用程序接口。在学生端，这些变量将以每个学生唯一的方式参数化虚拟（或远程）EJS实验室;因此，此初始化需要登录过程。EJS-AEE1这是将EJS和AEE与Goodle一起使用的一个简单示例。2使用EJS模拟SingleTankEvaluator.xml用这个模拟。3高度R4如果（rand（1）>0.5），则高度和R变量的高度=0.6;R=0.02;Else高度=0.2;R=0.1;结束5%计算学生的mark = calculateMark（响应、高度、R）;图4：Goodle GMS中的评估器配置。下面的示例显示了Goodle GMS中本节使用的典型代码：系统变量的自定义选择百分比如果（studentToValue（studentID）>0.5）height=0.6;bigRadio=0.02;其他高度=0.2;大半径=0.1;结束执行此操作后，将在服务器上的MATLAB工作区中创建height和bigRadio变量，并在学生登录后将其传输到EJS客户端（参见第4.2节）。EJS练习配置的第二个主要部分由评估代码本身组成（也称为后评估代码）。此代码负责评估从EJS应用程序收到的学生答案。[10]下面的代码显示了本节中使用的示例：第九届IFAC控制教育进展研讨会，俄罗斯下诺夫哥罗德，2012279元素的添加是通过EJS模型工作面板中显示的选项之一完成的。EJS中的元素非常类似于Java库。一旦它们被导入到模拟中，就可以使用新的方法和功能。在此之后，必须配置该元素。这是通过对话框窗口（见图6）完成的，双击"元素列表"中添加的元素后，对话框窗口会出现。请注意，在EJS特定练习中，学生不会提供纯源代码。相反，在解决练习时，必须填写虚拟实验室中的几个文本字段。当学生通过点击提交按钮结束他/她的作业时，这些值 将自 动转换 为MATLAB 源代 码（ 由变量 作业 组成）。然后将源代码提交到服务器，并且用于评估的代码合并过程（由教师脱机启动）已准备好开始。4. 自动评估要素（AEE）：AEE（自动评估要素）EEE是对实验室课程的教育评估，通过使用EJS创建的模拟 来 实 现 。 此 元 素 可 以 从 以 下 链 接 免 费 下 载 ：http://lab.dia.uned.es/evaluator。AEE将最终用户（学生）的评估分为两个步骤：登录和提交。需要登录步骤来为每个特定的最终用户调整或自定义模拟。这意味着模拟的变量和视图是根据学生的证书进行修改的。[10]因此，学生使用的模拟可以基于相同的物理系统，但其一些参数，如质量系数或摩擦系数，具有完全不同的值。[10]学生使用自定义模拟来遵循一组任务或活动（正式称为活动协议）。一旦活动协议中的所有任务都完成了，学生就必须将他们的答案提交到远程服务器，以便由教学人员进行评估。如果学生没有准备好（或不想）进行评估，模拟也可以在正常模式下运行，即没有评估或离线模式下运行。4.1 如何使用EEE使用AEE非常简单;教师（即练习作者）只需要将该元素添加到其EJS模拟中的模拟元素列表中（参见图1）。5）。图5：自动评估器元件。图6：用于配置自动评估器元素的对话框窗口。要配置PREPA，作者至少需要指定以下三个数据点：服务器：与AEE元素交互的远程服务器的Web地址。登录标签列表（Login Tags List）：最终用户为了成功登录服务器而需要填写的数据列表。双字符"##"用于将标签与列表分开。特殊字符6）。提交标签列表：最终用户为评估活动协议的合规性而需要填写的数据列表。提交标签列表是最终用户为评估活动协议的合规性而填写的数据列表。同样，双字符根据此配置，AEE会自动创建一个对话框窗口，允许终端用户在模拟运行时输入登录和提交信息。例如，使用图6所示的配置，AEE创建了图7和图8所示的对话框窗口。图7：按图6：登录选项卡中所示配置时，AEE自动创建的对话框窗口。请注意，这两个标签列表被组织为选项卡，而标签被指定为标签-文本框对，以便收集最终用户数据以完成登录和提交。OK按钮用于将数据发送到远程服务器。任何服务器响应都打印在服务器响应文本区域中。最后，重要的是要强调，如果需要，服务器的%设定公差和初始标记公差=1;标记=0;r1=15;问题1的答案% r2=12.5;问题2的答案%%计算学生的% P1和P2是如果第九届IFAC控制教育进展研讨会，俄罗斯下诺夫哥罗德，2012280登录登录数据图8：按图6：提交选项卡中所示配置时，AEE自动创建的对话框窗口。配置对话框窗口中还有三个选项，可用于根据特定要求调整PREPA的行为：[10]后登录代码：此选项指定Java方法的名称，该方法已在EJS的自定义部分中描述，在远程服务器确认成功登录后将立即执行该方法。Up-date Si mulat ion提交su-ccessful or wrong submissionmessageE-xecutepostSub mi ssion Method ifanyXML消息传递通过MATLAB预评估代码保存已提交的响应以供以后评估提交后代码：此选项用于指定Java方法的名称，该方法已在EJS的自定义部分中描述，在远程服务器确认成功提交后将立即执行该方法。显示对话框：如果选中此选项，则由AEE创建的对话框窗口将在模拟启动后立即显示。原则上，AEE的使用并不意味着除了初始配置之外对模拟进行任何改变;然而，如果作者在他们的模拟中要求PREPA的一些特定行为，（例如，自定义对话框窗口，而不是由AEE自动创建的对话框窗口），然后，他们可以通过使用应用程序编程接口（API）来操作元素。从模拟到自定义。高级作者可以在www.example.com上找到所有公共方法的完整文档http://lab.dia.uned.es/evaluator。4.2 自动化评估是如何工作的？自动评估的过程在服务器-客户端体系结构上执行。AEE的目标是实现应用程序的客户端，并将登录和提交数据发送到服务器端。图9显示了客户端和服务器端之间协议的序列图。该图分为以下三个主要阶段：登录、执行活动协议、提交和评估。[1]登录：此阶段启动服务器端的HTTP请求-响应。如果学生成功地将凭据（登录数据）提交到服务器，服务器将以XML消息进行响应，否则将返回错误消息。此XML消息是在Goodle GMS服务器端通过在登录时执行MATLAB预评估代码生成的一组名称值对（请参见第3节）。请记住，此代码是由教师专门为每个EJS练习设计的，通过从登录数据中访问学生ID号，可以为每个学生单独定制此代码。客户端服务器端（Goodle GMS）图9：客户端和服务器端之间协议的序列图。然后，这些XML嵌入的赋值由EEE接收，并用于自定义EJS模拟（名称 -值对主要转换为 初始用户界面字段值）。作者不仅可以使用自定义来修改模拟的模型变量，而且还可以修改如图10所示的视图或图形用户界面。(a)（b）图10：原始（a）和定制（b）模拟。编码在XML消息中的主要信息对应于用于设置模拟变量的初始值。AEE使用Java的反射API来更新变量的值并刷新模拟视图。目前支持三种类型的变量：double、double数组和字符串。对于XML消息中呈现的任何变量，AEE在EJS模拟中查找相同变量的名称，以便将其值设置为成功登录后，将启用submission选项卡，并且可选地，如果在元素的配置中声明了任何登录代码，则将执行post登录代码。执行此活动协议提交日期确认消息[编辑]第九届IFAC控制教育进展研讨会，俄罗斯下诺夫哥罗德，2012281执行活动协议：在这里，学生被要求使用定制的模拟，以完成任务和问题，以解决由活动协议给出的问题。在此步骤中，客户端和服务器端之间没有通信。提交：11名学生已完成所有要求的活动，他们需要提交他们的答案进行评估。响应由EEE从EJS用户界面字段值自动检索，该字段值以名称-值对的形式编码为XML消息。一旦在服务器上接收到它们，名称值对就被转换为MATLAB赋值，如下例所示：XML提交消息（不包括）：<变量> 10.0/a> cos（x1）+x2^2/f1>服务器端MATLAB分配：a=10.0;f1=cos（x1）+x2^2;注意数据交换中符号表达式的可能性，以便在基于MATLAB的符号工具箱评估脚本中使用。现在，服务器应该保存提交的分配（现在是MATLAB语言），并返回一个确认消息。评估：提交的响应（MATLAB代码）存储在自动评估服务器中。它们被组织在一个数据库中，该数据库包含每个练习的特定预评估代码和后评估代码。一旦最后提交日期到期，讲师将为特定课程中的所有学生启动特定练习的离线评估流程。对于每个学生提交，提交的代码与如图3所示的预评估代码和后评估代码合并，以便自动获得成绩并将其存储在数据库中。5. 结论性意见在本文中，我们提出了一个EJS元素，该元素允许将Goodle GMS提供的自动个性化评估功能添加到EJS开发的实验室中。沟通过程对学生和教师都是透明的。提供个性化的模拟和对学生成绩的反馈可以极大地改善电子学习体验，并为基于网络的课程提供巨大的潜力。具有这些能力的EJS实验室的设计通常可能是一项具有挑战性的任务。在未来的工作中，将开发设计工具和实验室库。参考文献克里斯蒂安，W.和Esquembre，F.，（2007），用简单的Java模拟建模物理，物理教师，45，8，pp. 475-480。埃斯昆布尔，F. "Easy Java Simulations：一个用Java创建科学模拟的软件工具，" Comput.物理学，普通。第156卷，第2期，第199-204年1月2004年。德拉托雷，L.，桑切斯，J.P.，Sanchez，J.睡眠，S.，尤斯特，M.，卡雷拉斯，C.（2010）FisLabs门户网站上的Snells法律虚拟和远程实验室。MPTL- GIREP-ICPE，兰斯（法国），2010年8月。德拉托雷，L.，Sanchez，J.睡眠，S.，桑切斯，J.P.，尤斯特，M.，卡雷拉斯，C.（2011年a）。FisL@bs网络的两个基于网络的实验室：胡克定律和斯内尔定律。《欧洲物理学杂志》，第32卷，第571-584，2011年2月。德拉托雷，L.，Heradius，R. Sanchez，J.睡眠，S.，桑切斯，J.P.，卡雷拉斯，C.，尤斯特，M.（2011b）新FisLabs门户网站上的薄透镜虚拟和远程实验室。MPTL-HSCI，卢布尔雅那（斯洛文尼亚），9月。2011年。睡着了，S。 （2002年）。 控制学习：现在和未来。国际会计师联合会年度控制审查，第28页。115-136。睡眠，S.，埃斯昆布尔，F.，Farias，G.和Sanchez，J.（2005）。使用简单的Java模拟向现有的Simulink模型添加交互性。在第44届IEEE CDC-ECC4163-4168。睡眠，R.，Vargas，H.硬，N.，桑切斯，J.，睡眠-坎托，S.，Farias，G.埃斯昆布尔，F.，睡着了，S。为自动化技术人员开发基于Web的控制实验室：三个储罐系统。IEEE教育学报，第51卷，第1期，第35-44。法里亚斯，G.（2010a），将交互式人机界面添加到工程软件中。Ph.D.论文，计算机科学与自动控制系，UNED。Farias G.，由Keyser R.睡S.，埃斯昆贝F.（2010b）开发网络控制实验室：MATLAB和简易Java仿真方法，IEEE工业电子学报，第57卷，第10期，第3266-3275。Farias，G.睡S.，埃斯昆贝F.（2011）交互式人机界面与工程软件。第18届国际会计师联合会会议记录，第8509-8514。戈麦斯，L.和Bogosyan，S.，"远程实验室的当前趋势"，IEEE Trans. Ind. Electron.，第56卷，第12期，第4744-4756，12月2009年。穆尼奥斯·德拉佩尼亚，D.和戈麦斯-埃斯特恩，F。（2009年）。一个新的基于Web的工具，用于控制系第九届IFAC控制教育进展研讨会，俄罗斯下诺夫哥罗德，2012282统工程中的教育和自动评估。IFAC -控制教育进展，熊本，日本，10月2009年。