虚拟和远程实验室的网络课程与学习管理系统

--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年在Moodle中与虚拟和远程实验室Carlos A.赫拉迪奥-鲁本-路易斯-德拉-托雷-何塞-桑切斯-塞巴斯蒂安-多尔米多-费尔南多-托雷斯-弗朗西斯科-A。坎德拉什西班牙阿利坎特大学物理学、系统工程和信号理论系（电子邮件：carlos.jara，fernando.torres，francisco.candelas@ ua.es）。西班牙开放大学软件工程和计算机系统系，西班牙马德里（电子邮件：rheradio@issi.uned.es）西班牙马德里西班牙开放大学计算机科学与自动化系（电子邮件：ldelatorre@bec.uned.es，{jsanchez，sdormido}@ dia.uned.es）翻译后摘要：这项工作提出了由作者开发的工具和程序，创建同步协作的虚拟和远程实验室内的网络课程与学习管理系统。有了它们，教师可以准备虚拟和/或远程实验室，并轻松地将其添加到在线网络课程中，自动获得协作功能。此外，任何成员（学生或教师），只要她/他在课程中注册，就可以使用该系统邀请其他注册用户与属于该课程的任何实验室进行实时协作在这项工作中提出的扩展工具是基于两个不同的免费和开源软件程序：Moodle作为学习管理系统，提供网络环境和简单的Java模拟创建的虚拟和远程实验室的协作支持。关键词：协作环境，教育，教育环境，虚拟和远程实验室。1. 介绍根据建构主义学习理论（Satterly（1987）），人们产生知识和意义（i）当他们分享他们的想法和经验，（ii）从他们之间从这个意义上说，现在的学习管理系统（LMS）包括通信渠道，以允许用户对用户的互动，在网络课程。另一方面，经验学习是从直接经验中创造意义的过程（Itin（1999））。这种方法对于科学和技术课程特别重要，其中实验是学习过程中的一个关键问题。虚拟和远程实验室（VRL）似乎涵盖了远程教育的这一必要性，也作为传统的presential课程的教学补充。尽管建构主义网络学习环境和虚拟现实语言已经存在，但这两种工具仍然缺乏用户之间的实时交互。根据学生-教师（或学生-学生）交互发生的时刻第一个允许这项工作得到了西班牙教育和科学部的支持，项目DPI 2008 -02647，阿利坎特大学技术和教育创新副校长O Punce的GITE赠款，以 及 Universidad Nacional de Educacin a Distancia 的 赠 款 2010V/PUNED/004。在灵活的时间表中交换数据，远程访问他们使用电子邮件或论坛等协作工具然而，这种类型的沟通可能会导致学生的 孤 立 感 ， 从 而 降 低 他 / 她 的 动 机 （ Boulos et al.（2005））。此外，学生不能从他们的问题中得到即时反馈，也不能实时谈论在学习活动中获得的结果。这些限制 已 经 通 过 应 用 同 步 技 术 得 到 解 决 （ Marjanovic（1999））。这是从以前的三个思想（建构主义，实验实践和实时交互）的交叉，同步协作虚拟现实的概念部署到LMS诞生。两个有价值的电子学习和VRL开发软件应用程序Moodle（Rice（2011））是一种广泛使用的LMS，支持建构主义学习，为用户提供沟通和互动设施。EJS（Christian andEsquembre（2007））是一种专门用于设计和开发交互式虚拟实验室的工具，即模拟和图形用户界面。此外，EJS不仅已被许多研究小组成功地用于创建虚拟实验室，而且还用于创建远程对应物的图形用户界面（GUI）（Vargas et al. （2011））。© 2012 IFAC 270 10.3182/20120619-3-RU-2024.000302012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271Fig. 1. Moodle中的控制工程课程本文描述了我们为Moodle和EJS开发的一个扩展，它提供了以下功能：(1) 对任何使用EJS部署的VRL提供同步协作支持;即，由于我们的扩展，任何现有的VRL编写的EJS可以自动转换成一个协作实验室，没有成本。(2) 支持在Moodle中部署同步协作的虚拟现实语言。本文件其余部分的结构如下。第2节简要介绍了Moodle和EJS，证明了这些工具适用于部署和开发VRL。第3节和第4节分别介绍了我们的Moodle和EJS扩展。最后，第5节给出了一些关于这项工作的结论。2. 创建和发布VRLS第2.1节解释了为什么Moodle是在互联网上发布VRLs的理想工具第2.2节介绍了EJS，总结了它对VRL开发的适用性.2.1 Moodle虚拟现实语言本身并不能为远程教育提供所有方便的资源，也不能提供这种方法所涉及的所有含义。具体而言，学生必须以自主的方式进行实践活动，因此，课程应包括与虚拟学习语言互补的出于这个原因，对于每个VRL，不仅应该有研究中的现象和远程实验的教学设置的描述，而且学生必须遵循的任务协议，以实现提出的目标。此外，实验室报告必须由在模拟和真实实验中收集的数据，指导员将纠正学生。Moodle是一个广泛使用的LMS，可以定制以支持这些功能。图1显示了我们为控制工程主题开发的Moodle课程关于我们提出的同步协作实验室，Moodle提供了两个内置模块，这对用户交流非常有帮助：在线用户和消息。图2和图3显示了它们的外观。通过 在第一个模块中，用户可以看到其他连接的用户，以便知道他们可以邀请谁参加协作实验会话。由于第二个，用户可以在与虚拟或远程实验室一起工作时互相发短信（例如，图3示出了此外，图3显示了与热对流实验（Vargas et al.（2006））相对应的VRL，该实验是用EJS开发的，并使用我们创建的VRLab插件图二、在线用户阻止。2.2 EJSEJS是一个用Java开发的免费开源工具，专门为创建离散计算机而设计。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272图三. 消息块。模拟EJS的架构源自模型-视图-控制（MVC）范式，其哲学是交互式仿真必须由三个部分组成：(1) 该模型描述了研究中的过程（i）变量，它持有不同的可能状态的过程，和（ii）这些变量之间的关系，由计算机算法表示。(2) 该控件定义了用户可以在模拟上执行的某些操作。(3) 该视图提供了过程状态的图形表示模拟的GUI图4显示了EJS用户界面。EJS使事情变得更简单，消除了MVC范式中的应用程序的创建分为两个步骤：（i）使用EJS的内置模拟机制构建模型进行模拟，以及（ii）构建视图以显示模型状态及其对用户所做更改的反应。从实用的角度来看，开发人员可以使用EJS创建高级交互式applet，因为它提供了见图4。EJS用户界面。简化的程序结构，自定义模型工具（如高级的微分方程编辑器）和拖放视图元素，让开发人员在高抽象级别上工作，从而加快创建过程。开发人员在模拟中输入只有人类才能提供的合格信息数学方程、初始模型状态、GUI该程序负责创建一个完整的独立Java applet的所有计算机相关虽然EJS最初是为开发物理学中的交互式仿真而设计的，但它已经得到了扩展，现在还可以用于创建出于这个原因，EJS的最新版本支持与外部应用程序的连接，例如LabView 、 Matlab/Simulink 、 SciLab 和 SysQuake（Vargas et al.（2009））。因此，EJS不仅对创建虚拟实验室很有用，而且对创建远程实验室的GUI也很有用。3. 扩展模块为了支持在Moodle中一键部署VRLs，我们在另一个名为SynColLabSession的插件，它扩展了Moodle以支持VRLs的同步协作会话，在3.2节中描述图五、在Moodle中添加VRL3.1 VRLab：在Moodle模块1VRLab支持：(1) 部 署 用 EJS 编 写 的 VRLs2. 图 5 显 示 了 VRLab 为 向Moodle添加VRL而提供的表单。VRLab使用新的Moodle 2特性File Picker，使VRLs不仅可以从用户计算机上传，还可以从各种存储库上传，Dropbox Alfresco1Moodle 中 有 不 同 类 型 的 插 件 （ Moore and Church- ward（2010））。SynColLabSession是一个活动模块，而VRLab是一个块。2VRLab支持将任何使用EJS开发的VRL集成到Moodle中（即，协作或非协作VRL）。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273(2) 控制用户对已部署实验室的访问。 图6显示了VRLab提供的用于设置VRL可用性的表单（学生可以访问VRL的开始和结束日期，最低年级学生需要参加其他活动才能访问VRL......）见图6。控制用户对已部署实验室的(3) 备份和还原。 VRLab为VRLs提供维护功能，并将其打包到Moodle课程备份中。3.2 SynColLabSession：用于Moodle的同步协作系统中的一个基本问题是发言权控制（Dommel和Garcia-Luna（1997））。这个术语指出了系统组件如何共享计算资源。我们建议的主要目标是提供一个共享的VRL，可以由虚拟类的不同成员实时控制（例如，学生和老师），并能够分享相同的实验，就像在传统的教室。在我们的例子中，共享VRL由EJS生成的applet组成。因此，有两种主要的组件协调：一个会话控制器的applet和一些被邀请用户的applet。会话控制器负责启动、监控和关闭协作会话。多亏了我们的EJS扩展，会话控制器她有一个列表中的邀请用户的连接在虚拟会话，并可以断开任何邀请用户的在任何时候。为了拥有合适的桌面控制，连接的受邀用户的小程序被锁定，并且它们不能在第一时间与共享的VRL进行交互。他们只允许实时查看会话控制器在共享应用程序中的操作。这样，协作会话避免了可能导致不想要的和不连贯的结果的事件冲突。这个问题的一个例子可能是，由于不合适的用户交互，VRL的真实以下几行说明了SynColLabSesion块的行为：(1) 从会话控制器的角度来看，协作会话由以下步骤组成：(a) 通过点击按钮见图7。启动同步协作会话(b) 从所有已经上传到Moodle的协作VRL中，使用VRLab插件，会话控制器选择将在会话中使用的VRL（图8）。应该注意的是，一个VRL同时支持多个协作会话见图8。选择要在会话(c) 会话主管选择会话的3个当点击“邀请参与者”按钮时使用消息块介绍-在第2.1节中介绍）。见图9。选择会议参与者(d) 在协作模式下访问VRL，即，会话控制器(e) 通 过 单 击 SynCol- LabSession 块 上 的 “Closecollaborative session”完成协作会话(2) 从受邀用户的角度来看，协作会话由以下步骤组成：(a) 用户点击SynColLabSession块上的“作为受邀学生参与”按钮在SynColLabSes上的"协作会议Sion块（图7，也可在图1的左侧菜单中看到）。3即，所选择的参与者决定是否参与该会话。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274见图10。关闭协作会议（图11）。为了防止SynColLab- Session的误用，它的图形界面将更改为仅显示给定情况下可用的有效选项因此，见图11。接受同步协作会话(b) 从所有收到的邀请中，用户选择他/她想要参与的会话（图12）。请注意，课程成员可以被邀请参加多个协作会话，但他/她只能同时参加其中一个见图12。选择一个可用的邀请(c) VRL以协作模式访问。(d) 用户在以下情况下(i) 在前一种情况下，用户可以自由地再次注册到该会话或任何当前可用的邀请。4. 扩展EJS首先，第4.1节总结了我们的EJS扩展添加到VRL的协作功能之后，第4.2 节描述了如何将任何VRL转换为协作VRL。4.1 EJS VRLs的协作特性我们的EJS扩展为会话控制器提供了如图13所示的控制面板。它包括连接到协作会话的被邀请用户的列表（例如，图13显示“使用这样的列表，会话控制器可以执行以下任务：图十三.协作会话(1) 随时断开任何受邀用户的(2) 将粉笔发送给受邀用户。利用此功能，会话控制器通过从列表中选择特定的受邀用户，将控制共享VRL的权限授予他粉笔只允许学生管理VRL，但不能管理协作会话。图14描述了用于描述协作会话的通信框架。当一个会话开始时，用户只需通过下载实现他们将在会话中使用的VRL的applet来与Moodle服务器进行交互对 另一方面，参与会话的用户通过TCP和UDP协议上的无服务器协作进行交互（参见图14中的实线）。因此，我们提出的通信框架支持多个同时进行的会话，而不会使Moodle服务器过载邀请用户与基于服务器的方法相比，我们的电子学习系统专注于无服务器架构。这种通信方法避免了数据流中服务器处理所引起的延迟，因为通信引擎嵌入在用户下载的Java applet此外，网络连接的数量可以大大减少，因为会话指示器的小应用程序可以管理会话、会话控制和对被邀请的用户小应用如上所述，P2P网络集中在会话控制器的小应用程序周围。最后一个应用程序是协作类的中心节点，它包含一个多线程通信模块，该模块管理组成共享图14.协作会议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275VRL。被邀请用户为了实时同步连接到虚拟类的所有applet，使用了基于Java 对 象 标 记 的 方 法 （ Dommel 和 Garcia-Luna（1997））。Java对象令牌是包含String对象的小型更新消息，该对象定义了同一会话的其他applet要执行的操作。少量的发送信息优化了网络利用率并减少了连接延迟。由于所有的applet在任何时候都必须处于相同的状态，因此有必要对它们进行同步。开发的通信框架提供了一个适合所有更新数据的传输服务：一个基于TCP的可靠消息和基于UDP的快速消息的通道。TCP通道用于更新应用程序的所有变量，因为值的传输需要基于ACK的协议的可靠性。UDP通道用于传输用户界面中的小更改，这需要在其余的小程序中快速更新。4.2 将VRL转换为协作式VRL多亏了我们的EJS扩展，为applet添加协作功能变得非常简单。无论applet看起来像什么，无论它模拟或远程控制什么，用户只需要遵循以下步骤：(1) 打开Information Panel（图4），并在EJS中选择Run Options选项卡，以打开图15所示的对话框窗口。(2) 选择Add support for collaborative applets选项。此选项将4.1节中描述的通信引擎嵌入到小程序中(3) 选择添加Moodle支持选项。这使应用程序能够与第3.2节中描述的插件SynColLabSession通信5. 结论在这项工作中，我们提出了一种方法，可以轻松地开发和集成EJS协作虚拟和远程实验室到Moodle课程。这要归功于作者开发的扩展：1）EJS现在提供的协作功能和2）Moodle扩展图15个。为Moodle创建协作VRL来处理协作会话管理。其结果是一个网络环境中，用户可以邀请其他用户共同进行实验室活动，分享想法，解决团队中的问题，并询问和回答对方关于实验的疑问。最后，重要的是要强调，虽然这种方法已经在这项工作中应用到控制工程实验室，它可以用于任何类型的实验室（因此，它也适合科学课程，例如），只要它是用EJS创建的，并集成到Moodle课程。引用巴富斯托湾和Mentzas，G.（2002年）的报告。协作系统的 回 顾 和 功 能 分 类 。 International Journal onInformation Management，22，281Boulos，M.，Taylor，A.，和Breton，A.（2005年）。在线远程学习计划中的同步通信实验：案例研究。Telemedicine journal andChristian，W.和Esquembre，F.（2007年）。用简单的java模拟建立物理教师，45，475-480。Dommel，H.P.Garcia-Luna，J.J.（1997年）。用于多媒体会议和协作的发言权多媒体系统，5，23Itin，C.M.（1999年）。重申体验教育的理念，将其作为21世纪变革的工具实验教育杂志，22，91马里亚诺维奇岛（1999年）。在一个同步协作的环境中学习和教学。计算机辅助学习杂志，15，129Moore，J.Churchward，M.（2010年）。Moodle 1.9扩展开发。Packt出版。Rice，W.（2011年）。Moodle 2.0在线学习课程开发。Packt出版。Satterly，D.（1987年）。皮亚杰与教育牛津大学出版社.巴尔加斯，H.，Sanchez，J.，Jara角，Candelas，F.，Torres，F.，和Dormido，S.（2011年）。一个基于网络的 自 动 控 制 网 络 实 验 室 。 IEEE Transactions onLearningTechnologies，4，197-208.巴尔加斯，H.，Farias，G.，Dormido，S.，Sanchez，J.，多尔米多-坎托河，Duro，N.，Dormido-Canto，S.，和Esquem-bre，F.（2006年）。自动化技术人员职业培训的网络学习资源：以热流和液位为例。在控制教育的进展。西班牙马德里Vargas ， H. ， S'anchez-Moreno ， J. ， Dormido ， S. ，Salzmann，C.，Gillet，D.，和Esquembre，F.（2009年）。支持Web的远程科学环境。 计算机科学与工程，11，36