过程控制教育的信息技术改进

--第九届国际会计师联合会控制教育进展国际自动控制联合会，俄罗斯下诺夫哥罗德，2012年过程控制网络课程的进展我在卡拉乌兹，乌布。Crka，MiroslavFikar斯洛伐克布拉迪斯拉发理工大学化学与食品技术学院电子邮件：martin.kaluz，lubos.cirka，miroslav. stuba.sk网址：http://www.kirp.chtf.stuba.sk翻译后摘要：在本文中，我们提出了我们最近在信息工程，自动化和数学系在FCFT STU在布拉迪斯拉发的过程控制教育的改进。我们描述了用于改善教学和提供更好的学习机会的程序和方法。讨论了过程控制课程在线学习管理系统，该系统与电子书、视频讲座、自动生成的测验、计算和仿真工具等多种电子教学辅助工具相结合关键词：在线，教育，e-learning，LMS Moodle，过程控制1. 介绍信息技术的日新月异也影响着现代教学的改进。在过去的几十年里，计算机技术彻底改变了计算世界，并为教育带来了全新的可能性和方法。使用信息技术的新教育方法正在不断开发，以探索各种方法来改善教学和解决以前无法解决的挑战。常见的挑战之一是处理大量学生参与教育过程的问题（Gora等人（2010年））。在这些情况下，个别教学是不可能实现的，但我们可以通过使学生在学习过程中使用现代技术来改善教育。教育领域的e-learning目前在世界范围内得到广泛应用。它允许学生在具有良好互动性的环境中学习，并获得所有重要的信息和材料。另一个优点是协作工作的可能性和容易评估的学习结果与学生和教师之间的良好合作。在教育中使用信息技术的想法并不新鲜。各种形式的电子学习的发展开始于第一台计算机在教室中 用 于 教 育 目 的 的 同 一 时 间 （ Bitzer 等 人（1961））。现代趋势已经在教学和学习中使用了几十年。它们不仅应用于工程和技术科学领域（ Ubell （ 2000 ） ） ， 而 且 还 应 用 于 自 然 科 学（ Weng et al.（ 2011） ） 、 医 学科 学 （ Curta andCiupa（2011））、人文科学（Shaohua and Peilin（2008））和艺术科学（Slattery（2006））。e-learning在全球范围内的推广始于90年代末从那时起，电子学习变得非常流行，许多基于网络的学习系统被开发出来（Kljun et al.（2007年））。我们还努力提高教学质量，特别是在自动化和过程课程控制，但也在其他不同的课程相关的这一领域。在过去的教育过程中，我们面临着一个共同的问题，即如何在教授大量学生的同时保持教学方法的高质量。电子学习环境被证明是一个适当的解决方案。我们决定使用在线教育环境学习管理系统（LMS）Moodle（Dougiamas（2005））将我们系教授的几乎所有课程重新组织成更具互动性的形式。本文介绍了我国在过程控制教育方面的进展2. 课程结构过程控制过程分为两个部分。课程在教室进行，所有学生都可以学习必要的理论背景和基本原理。第二部分包含过程控制实验室的练习，学生被分成几个小组，他们应用新获得的知识。本学期共有13堂课及13个练习（每周各两小时）。该课程侧重于控制基础，如拉普拉斯变换及其在微分方程求解中的应用，代数理论，传递/脉冲函数和特性，各种技术工厂的数学建模，控制理论及其应用，以及控制系统的设计。3. MOODLE过程控制课程我们有几个在线课程与不同的子课程，在我们的部门教授它们是作为LMS Moodle的模块创建的，可以通过我们的网站访问© 2012 IFAC 235 10.3182/20120619-3-RU-2024.000292012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会236LMS Moodle作为免费的开源软件平台，目前有超过4600万用户使用，超过56000个Moodle门户网站在互联网上注册（Moodle Trust（2011））。一些案例研究表明，Moodle非常受学生和教师的欢迎，因为它的清晰度，易于使用的环境，管理的可能性，和定制（Kakasevski等人（2008））。Moodle不仅提供了课程管理，还提供了广泛的用户和内容管理功能，包括：• 角色管理，• 学生分组，• 讨论论坛，• 文件下载和上传，• 个人评分，• 即时消息，• 在线测验，• 日历，• 活动、新闻和公告。由于Moodle是一个开源项目，用户可以通过创建具有各种功能的新模块和插件以自己的方式对其进行扩展。在我们系的教育中，我们有两门主要课程要 教 授（ Ba kos ov′aeta l.（ 2007 a ） ， Ba kosov′aetal.（2007年b））。第一部分是过程控制的基础理论，第二部分是练习。①的人。我们还有一个包含虚拟实验室的课程，重点是过程控制的在线实验。Fig. 1.概述选定的一周内教授的主题，包括学生信息，小测验，在线练习和工具，以及个人工作3.1 电子学习材料课程包含学习材料，如书籍，参考文献，幻灯片和讲座视频。所有关于课程的必要评估信息也包含在课程中。学生被告知主题领域，期末考试通过的要求，更好地准备考试的提示等。电子书和参考资料几乎所有的学习资料也都有电子版，所以学生不需要购买纸质书籍。主要的研究文献 是 《 P rocessCont rolbyBa kos ov′aandFikar 》（2008年）一书。Moodle中课程的每周一节是针对书中选定的主题，包含PDF格式的电子部分以及讲座幻灯片。本课程还包含其他过程控制书籍的各种参考资料，以及其他大学学习材料的链接。视频讲座改进电子学习最常用的方法之一是实施视频讲座（Chandra（2011））。讲座的视频可以以两 种 不 同 的 方 式 提 供 给 学 生 （ Hakala 等 人（2010）），实时或点播。学期中的所有讲座都被录制在视频中。视频（图2）被放置在Moodle课程中，学生和教师都可以访问。学生可以通过互联网随时随地观看讲座，因此他们可以在教室里总结自己的理论知识。讲座视频也是学生为期末考试做准备讲座以高清晰度格式捕获，并处理为在线合适的Flash视频，因此可以通过Flash视频服务器进行流式传输。图二、所有讲座都被录制成视频，并在课程中发布。3.2 考试考试在教育过程中起着重要的作用它展示了学生的反馈，并告诉我们我们的教学方法是多么有效。网络课程的教育提供了多种检查和评价的可能性LMS Moodle本身包含测验模块，可以由教师设计并自动评估。我们在练习开始时使用这些Moodle测验来证明学生已经准备好了。FIG。3. 由LATEX生成的PDF文件的示例，该文件显示了教师的多项选择类型问题及其答案另一组考试，我们用来评估在过程控制主题，是在纸上的形式。我们创建了一个自动生成检查的程序（Fikar等人（2007））。它基于几种技术，每种技术用于不同的目的。生成考试的主要计算引擎是MATLAB软件。它选择从50多个不同问题的范围内随机组合的任务。问题是分开的2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会237见图4。Moodle问题分成几个难度级别并存储在银行中。MATLAB还为每个问题生成随机值，因此学生不能只是复制他们邻居的结果选择的任务组合然后被处理成XML形式，并由转换引擎XML解析。XML转换的类型取决于考试所设计的格式设置工具。任务的格式为LATEEXHTEML和MOODLE。它可以包括打印版本（图3）、网页版本或Moodle测验（图4）。4）。4. 用于验证和仿真的在线工具课 程 中 几 乎 所 有 的 任 务 都 是 基 于 MAT-LAB/Simulink 。 在 课 程 实 验 室 中 ， 学 生 使 用MATLAB在计算机上执行大部分任务。我们还为学生提供了使用类似的工作环境，从他们的家的可能性，使用MALTAB相关的Web技术。这样，他们就可以通过互联网单独执行任务。在我们的在线课程中，可以解决以下自动控制相关问题：多项式数学运算，多项式求根，矩阵方程的解，LTI模型的零极点映射LTI模型的阶跃和脉冲响应过程模型模拟（储罐和热交换器），• 闭环仿真MATLAB作为一种强大而有效的计算程序，在自动化和过程控制领域的教育中非常常用它为用户脚本和功能部署到Web应用程序提供了广泛的可能性 。 MATLAB 编 译 器 是 主 要 的 MATLAB 部 署 组件，可以将常规MATLAB脚本和Simulink模型文件转换为DLL和LIB库、MS Windows可执行文件以及MS Excel、JAVA、COM和. NET等技术4.1 MATLAB Web Server我们首次尝试通过MATLAB Web Server（MWS）技术（Uran et al.（2006））。MWS是连接客户端Web GUI（最常见的HTML网页）和运行在服务器端的MATLAB的客户端-服务器技术通信由常规HTTP Web服务器（Apache）上的HTTP守护程序提供。用户定义的脚本以M文件的形式位于服务器上在那里，它们通过CGI可执行文件matweb.exe调用，并由MATLAB处理。MATLAB Web Server请求的结果以常规HTML网页的形式生成该技术还提供了生成图形结果的可能性（图1）。5）。图五、通过MWS执行的液体储罐系统的模拟MWS工具已经作为一系列相对独立的模块实现到Moodle课程中。模块化形式的主要优点是它们也可以用于Moodle教授的其他课程。这些模块可以以最小的成本轻松更改。在MATLAB Web Server技术从MATLAB 2008版本中停止后，我们决定将注意力集中在MATLAB编译器及其功能上，以取代我们现有的计算和仿真工具。4.2 MATLAB与JavaMA TLAB Com pil er的BuilderJA是一种专门设计用于从用户定义的MATLAB函数创建Java语言类的工具。MATLAB函数可以通过编译器转换为字节码Java类，这些字节码Java类可以作为Java Web应用程序的一部分包含m-code的m-file使用MATLAB Java代码创建的应用程序可以被描述为独立的应用程序 。 这 些 不 需 要 MATLAB 来 运 行 ， 而 只 需 要MATLAB编译器（MCR）。这项技术的另一个优点是Java是独立于平台的编程语言。这意味着用Java创建的程序和应用程序可以在任何使用Java虚拟机（JVM）的操作系统上运行。我 们 建 立 了 在 线 计 算 （ 图 。 6 和 图 7 ） 和 模 拟（图。8）在课程中利用MATLAB函数的形式实现Java组件，并利用Java ServerPages（JSP）技术进行GUI实现。在我们尝试实现基于Java的计算和仿真工具时，我们面临着几个问题。主要问题涉及使用Simulink方案和Stateflow图。这些都很难转化为Java技术.在研究了MATLAB编译器的其他几个功能之后，我们决定使用MATLAB C/C++二进制文件重建······2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会238见图6。工具设计用于不同类型连接图第七章矩阵、向量和多项式运算工具图八、过程模型模拟工具（热交换器）4.3 MATLAB和C/C++MATLAB编译器可以从M文件生成C/C++二进制文件这些二进制文件可以被描述为独立的程序，其中可以被编译器的操作系统直接执行MATLAB编译器还可以使用Real-Time Work-shop从Simulink模型文件这些可以与内置的MATLAB函数结合并嵌入到更广泛的解决方案中，以创建提供模型仿真功能的C/C++可执行程序可以通过公共网关接口与Web应用程序进行通信。图第九章LTI模型模拟工具我们已经创建了使用MATLAB函数和编译成C/C++的模型的在线工具，并用它取代了原来的MWS工具。 它们位于Web服务器上，并通过公共网关接口从常规HTML Web表单（用作图形用户界面）调用。功能列表与原始MWS几乎相同新功能之一是LTI模型模拟工具（图1）。9）。5. 课程评价夏季学期分为13周的教育，5周的定期考试和1周的延期考试。我们评估了2011年期间电子学习材料的使用情况。这包括视频讲座，PDF幻灯片，以及在线访问计算和模拟工具的使用，主要集中在学校和家庭锻炼。过程控制课程的注册学生人数为125人。Moodle中的课程包含29个PDF材料和48个视频讲座。PDF材料的意见总数为1058，这是在平均超过8个意见，每个学生和视频讲座的整体意见是1167，这是超过9个意见，每个学生。该数据包括使用电子病历研究材料中的高风险 数据在线工具的总访问量为4279，相当于每个学生34次访问。每周视频讲座和在线工具的详细使用情况见图2和图3。10和11从这些材料和工具中可以看出，学生们大多数是在家里使用这些材料和工具。在正常的13周期间，经常使用在线工具，作为学校练习的额外准备。整个学期都在使用视频讲座，不仅作为准备上学的材料，而且也作为考试的材料。2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会239图10. 视频讲座在课程中的使用评价图十一岁在线工具在课程中的使用评价结论将LMS Moodle应用于过程控制课程的学习，是提高自动化工程和过程控制教育水平的一种有效途径。我们选择了几种方法和途径来实现我们的教学目标。网络课程的管理使教育过程更加简单，更加透明，更重要的是，它允许学生自己进行更多的控制。他们可以使用现代形式的学习材料，如电子书，视频讲座，在线工具和虚拟实验室。确认作者感谢斯洛伐克共和国科学资助机构在1/0095/11号赠款下所作的贡献，感谢斯洛伐克共和国文化和教育赠款机构KEGA在赠款号3/7245/09。引用你好，先生。 和Fika r，M. （2008年）。 P rocessControl. 北京：清华大学出版社. (in斯洛伐克）。2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会240你好，M. Fi ka r，M. ，和Cirka，L'. （2007年a）。E-lear rni ngco rseonp roc essc o nt ro l。在J. Sedl'apalccek （ ed. ） ， Proceedings of the conferenceeLearning 2007，191-197. 在我的帮助下，我的孩子们都长大了。你好，先生。，F ika r，M. ，和Cirka，L'. （2007年b）。E-learning过程控制教育。在欧洲化学工程大会（ECCE-6）会议记录中，CD ROM 1015.pdf。EFCE，哥本哈根。Bitzer，D.，Braunfeld，P.，和Lichtenberger，W.（1961年）。柏拉图：一种自动教学装置。IRETransactions on Education，4（4），157- 161.doi：10.1109/TE.1961.4322215。Chandra，S.（2011年）。个人讲座视频拍摄经验。IEEE Transactions on Learning Technologies ， 4（3），261 - 274。doi：10.1109/TLT.2011.10。库尔塔角和Ciupa，R.（2011年）。医学相关领域的电子学习。第七届电气工程高级专题国际研讨会（ATEE），1 -4。Dougiamas，M.（2005年）。Moodle -一个免费的、开源的在线学习课程管理系统。URLhttp：//moodlele. 奥尔湾Uran，S.，Hercog，D.，和Jezernik，K.（2006年）。基于Matlab web服务器和web控件的设计学习。在IEEE工业电子，IECON 2006-第32届年会，5420- 5425。doi：10.1109/IECON.2006.347924。翁，J.F.，连国，和Tseng，S. S. （2011年）。 互动式故事教学于国小自然科学教育之研究。第11届IEEE国际先进学习技术会议（ICALT），336 - 338。doi：10.1109/ICALT.2011.104。张，L.，Zhu，X.， 和Guo，Y. （2010年）。 matlab和simulink在计算机控制系统课程教学中的应用。第三届智能网络和智能系统国际会议（ICINIS），185- 188。doi：10.1109/ICINIS.2010.140。Fikar，M.，Cirka，L'.，Ba kosov'a，M. 和Hi rm aj r，T.（2007年）。 控制工程教育中作业和测验的自动生成。在欧洲控制会议ECC '07的会议记录中，2714-2720。Gora，W.，Lach，G.，Lubbe，J.，Pfeiffer，O.，Zorn，E.， 和Jeschke，S.（2010年）。大学生数量的管理和优化分配。教育工程（EDUCON），2010IEEE，1891-1896。doi：10.1109/EDUCON.2010.5492433。哈卡拉岛Laine，S.，和Myllymaki，M.（2010年）。借助视频讲座使成人教育多样化。在第九届信息技术为基础的高等教育和培训国际会议（CNOET ），391 -397。doi：10.1109/EQUET.2010.5480099。Kakasevski ， G. ， Mihajlov ， M. ， Arsenovski ， S. ， 和Chun-gurski，S.（2008年）。学习型人机系统Moodle的可用性评估。在第30届信息技术接口国际会议上，613 - 618。doi：10.1109/ITI.2008.4588480。Kljun ， M. ， Vicic ， J. ， Kavsek ， B. ， 和 Kavcic ， A.（2007年）。评估学习管理系统的比较和评价。第29届 信 息 技 术 接 口 国 际 会 议 ， 363doi ：10.1109/ITI.2007.4283797。Moodle信任（2011年）。Moodle统计URLhttp：//moodlele. 或g/stats/。Shaohua，H.和Peilin，W.（2008年）。数字经济中的Web 2.0和社会学习。IEEE InternationalSymposiumonKnowledgeAcquisitionandModelingWorkshop ， KAM Workshop 2008 。 ，1121doi：10.1109/KAMW.2008.4810691。Slattery，D.（2006年）。利用信息和通信技术支持第三级校园课程中的深度学习：利默里克大学电子学习设计与开发文学硕士课程的案例研究。在国际 专 业 通 信 会 议 上 ， IEEE ， 170 - 182 。 doi ：10.1109/IPCC.2006.320381。乌贝尔河（2000年）的第10/2000号决议。工程师转向电子学习。Spectrum ，IEEE，37（10），59- 63.doi：10.1109/6.873919。