远程机器人教育的挑战及技术管理——远程学习与传统学习结合的趋势

2013年8月28日至30日，国际自动控制联合会第10届IFAC研讨会控制教育进展。英国谢菲尔德远程机器人教育：教育学与技术管理的联姻Lakshminarasimhan Srinivasan， Klaus Schilling，*维尔茨堡大学机器人与远程通信系97074 Wuerzburg，Bavaria，Germany（电子邮件：srinivasan@informatik.uni-wuerzburg.de）。†德国巴伐利亚州维尔茨堡97074维尔茨堡大学机器人与远程通信系（电子邮件：schi@informatik.uni-wuerzburg.de）翻译后摘要：远程学习不需要总是对课堂学习的基准。常见的研究模式表明，希望将远程学习与传统学习相结合的趋势，但运行远程教育机器人课程超过10年的经验表明，这对于有效的教育来说是不必要的。远程实验室和远程学习课程在最初的炒作之后失败的一个重要原因可能是缺乏对技术管理的关注，包括来自相关领域的最新技术，包括教育学和技术，并考虑文化变革对一代又一代学生的影响。这项工作描述了我们的远程实验室是如何设计和建造的，学生人数在前五年后如何开始下降，以及在过去三年中为了吸引学生而发生了什么学生人数和匿名反馈的统计分析也呈现出兴趣如何被重新点燃，以及如何口碑宣传导致学生从新的机构在德国采取我们的课程。巴伐利亚虚拟大学，其中我们的远程教育课程是自2005年以来的一部分，进行了独立审查的过程中的结果，也证实了本文中的其他结果关键词：控制工程教具;控制工程课程面临的挑战;遥操作;技术管理;1. 介绍用于移动机器人教育的远程实验室在很大程度上是概念之旅的证明，导致了无数的技术进步，但在较长一段时间内缺乏存在性的成功。许多论文已经出版，例如Rodr'ıguez和Khamis（2001年），Schilling和Zeiger（2005年）和Zeiger 和 Schilling2005 年 b ） ， Schilling 和 Roth （ 1998年）详细介绍了建立远程实验室或基于网络的教育框架所涉及的科学和技术。（2001）和S'anchezet al. （2000年），其中一些包括成功实施相同的第一个结果缺乏详细说明这些远程学习机器人课程缺乏持久性的出版材料是惊人的，消亡的原因从缺乏真正的硬件，缺乏对远程学习教学法和技术管理的关注的组合从长远来看。机器人教育只能在没有真正硬件的情况下达到一定程度远程操作条件和传感器数据融合几乎不可能仅使用模拟来教授，实践方法是唯一可行的解决方案，以教育学生有关所涉及的数据规模，如时间延迟（尽管整个互联网的可变延迟），用户界面的有效性（或缺乏）以及现代机器人中涉及的其他因素远程教育因此，机器人平台的设计必须涉及物理硬件，例如，Dormido等人（2001）和Garc 'ıa等人（2006）涵盖了现代机器人所必需的控制方面在过去的十年中，许多提供通过互联网控制移动机器人的课程如雨后春笋般涌现，令人惊讶的是，今天没有多少人在运作。我们部门设计和开发的虚拟实验室是针对这一特定需求：在远程教育中获得真正的硬件。远程实验室的第一次开发工作始于1998年，并在多个欧盟资助的远程教育项目的帮助下继续开发，最初是IECAT IECAT（2013年）和TEAM TEAM（2013年），然后通过欧盟-印度虚拟实验室EU-INDIA（2013年）和德国联邦教育和研究部资助的LearnetLEARNET（2013年）。2. 虚拟实验室开发该远程实验室采用开发和部署时的最新技术和架构开发-在PHP- Smarty框架下的门户网站和客户端的JAVA小程序，用于连接merlin硬件和客户端的JAVA服务器，以及作为后端的数据库JAVA被选中© IFAC 198 10.3182/20130828-3-UK-2039.00076第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲199控制服务器相机模块控制模块控制小程序客户端通信Server内核Web门户资源管理用户管理时间观测器数据库通信控制问题报告上传用户管理传感器数据处理数据库教程控制服务器模块外部外部本地化本地化机器人控制机器人通信002200420062008201020122014年步骤3步骤2步骤1步骤4步骤6步骤5步骤N它的平台独立性，JAVA小程序，使学生访问远程实验室只需要一个标准的网页浏览器与JAVA安装。在实验室试运行期间，使用了外部跟踪系统VSCOPE。该系统的设计强调模块化，如图所示1.一、传感器值的恒定流从移动机器人发送到JAVA服务器，JAVA服务器将其中继到具有有效保留以使用实验的经认证的客户端。安装在测试区域上方的摄像机连接到视频服务器，以在实验期间提供实时反馈。控制可能会加重学生的负担，增加“未完成”的数量参加测验研究学习材料学生激励进行实验图二、我们远程课程学习过程的原创设计4. 成功之后的DIPFig. 1. 初始设计机器人出现在在多个项目中开发，并与3个不同大陆的多所大学合作，这意味着该实验室至少在合作机构中有很多宣传。最初的学生人数是令人鼓舞的，如图3所示，并在前5年稳步上升。注册学生完成课程的百分比开始合理的远程学习课程，但峰值约65%，这是接近我们在大学的正常课程。鉴于学生不需要下载或安装任何特殊的软件，也意味着它是一样容易输入网址和浏览。点击和导航用户界面组合Zeiger和Schilling（2005年a）3. 虚拟实验室开发考虑到建立涉及传感器真实世界数据的实时远程教育课程的复杂性和技术挑战，实施优先于远程教育中的教学问题。一个独立的学习模型DePryck（2005）被选中，假设理想的学习者素质的自主性，动机等，在使用实验室在最初的实施过程中所涉及的如图2所示。很明显，这是一个以学生为中心的世界，第一步总是由学生迈出。“步骤N”是悬空的，因为在远程实验室与导师的任何联系都是学生发起的，可以在任何时间发生。学生在这种关系中扮演领导者的角色，决定关系的进展和进展速度，从而完全控制学习的数量。实验室只是扮演一个被动的参与者的角色，同意每个学生的愿望。这种模式的片面性既是优点也是缺点。在实验室必须花费的人力资源方面，以及在向学生灌输自主学习的概念方面，这是一个优势。这种模式的缺点是，尽管它是一个轻松显示传感器数据和简单说明似乎是一个胜利的组合。年注册完成机构70605040302010019961998200020022004200620082010图三.统计数据显示，最初的成功之后，学生的兴趣学生人数从2002年开始下降，并一直持续到2005年。2005年的突然增加可以归因于我们的远程实验室被德国巴伐利亚虚拟大学接受为正式课程。这意味着更多的机构接受该课程，更多的学生有机会参加，学生活动的增加是一个误导性的迹象;当时应该进行实际审查，因为问题的指标已经存在。成人的学习过程，是它可以得到极其乏味。因此，学生必须通过被动的方法来应对这一问题的复杂性;不幸的是，这一点没有被注意到，在加入VHB后的几年里，学生人数下降的趋势仍在继续。那是在2009年上半年，等待反馈/结果提交报告联系远程实验室的导师第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲200现代学生联邦教育制度是从勺子将采取简单的方式期待快速的结果需要动机往往需要一点接触需要更多关注由于2008年的学生人数下降到个位数，因此决定对整个实验室进行审查，并试图扭转这一负面趋势。所涉及的问题是如此之多，以至于快速解决几乎是不可能的。主要问题包括人事变动;原开发人员不再与该部门• 缺乏足够的文件• 零部件中的阻碍技术• 传感器损坏，备件难以/无法购买• 教学模式与现实越来越明显的是，必须进行全面改革，必须采取多管齐下的办法。这不仅是技术和教学法的改革，而且还需要形象改造，以说服学生，这门课程是值得花时间再次。经过几次集思广益会议，决定了将进行升级的具体领域。图4显示了计划升级的教学和技术领域。教学升级被认为更为复杂，同时取决于技术升级的成功实施。另一方面，技术升级被认为比较容易，因为软件框架已经存在，虚拟实验室也在运作，但没有最初设计的那么强大。有关硬件组件的可用性和兼容性问题也必须在教学方面，必须重新确定学生的特点，改进学习技巧，同时改进教学内容和教学机制。更常见的是被认为不会阻止不符合这些特征的学生。图五.现代学生在新的设计中，图2中原始学习过程的每一步都得到了补充，以应对阻止完成课程的学生特征。通过指定导师，建立了直接联系点。第一次接触也是由导师。易于理解，一步一步的指示，可用于在线和离线阅读补充提醒张贴在相应的地方在门户网站。测验问题根据难度顺序排列自适应测验模型基于先前正确回答的问题确定后续问题。进行了硬件和软件升级，并进行了广泛的测试，以消除实施错误。课程中还包括基于模拟小程序的其他独立于硬件的实验，请参见第节。5.1了解详情。见图4。教育学和技术升级5. 教育升级在我们远程实验室的开发过程中，我们假设主动性总是来自于学生。虽然这在一定程度上是正确的对于远程教育来说，学生的特点已经发生了很大的变化，现在需要内置的促进学习的机制来进行远程教育。对文献Oliver-Hoyo和Allen（2005）、Miner（1971）、Osborne等人（2003）的回顾这是一个有意识的决定，该模型在谨慎方面犯了错误：即，假设消极特质是见图6。对原有学习过程5.1硬件独立实验学习内容补充了额外的非硬件为基础的学习小程序.例如，引入了旨在教授非完整约束和路径规划机制的模拟作为附加实验。在移动机器人等真实硬件上进行现场实验的问题是，能够同时进行实验的学生数量有限。在我们的实验室，只有一个学生可以远程操作教育学学生模型学习模式学习内容技术软件硬件导师，接收反馈提高清晰度指令测验重新设计激励硬件和软件升级步骤4步骤3步骤2步骤1参加测验研究学习材料学生激励增加独立于硬件的实验小程序进行实验步骤6步骤5强制接触辅导老师确定的时间表等待反馈/结果提交报告······第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲201通过测验步骤1预约时间步骤2为学生保留的机器人自动其他学生沮丧吗？一名学生操作远程机器人步骤3在任何给定的时间点，导致实际实验的事件链如图7所示。这意味着，有可能有一些其他学生发现硬件预留，并可能很快感到沮丧，如果这种情况发生几次。为了使课程能够继续进行，增加了额外的实验，学生可以通过使用模拟小程序完成任务。这是一个重要的变化，需要带来清晰和提供一个出口的不耐烦。图第七章需要独立于硬件的小程序6. 技术升级首先要改变的是外部本地化系统。早先用于外部跟踪的VSCOPE系统有缺陷，不再可用。鉴于MERLIN机器人没有配备制动器，并且在当前的实验室表面上滑动非常突出，单独的编码器值将非常不准确。为此，安装了一个更先进的红外跟踪系统ARTRACK。这包括4个IR相机，其中一个在图8b中示出。无源标记安装在MERLIN上，如图8a中的绿色箭头所示。IR跟踪系统在首次使用前进行校准，并提供实时跟踪，其规格可在ARTRACK（2013）中找到。(a)Merlin机器人（b）红外摄像机图八、我们的虚拟实验室升级了硬件在软件方面进行了以下更改：更新的预订系统，使用户能够查看所有被阻止的未来时间并为自己保留时间段JAVA虚拟机从1.2版升级，现在运行在1.6版。开发了用于独立于硬件的任务的新JAVA小应用程序• 更新服务器端安全性7. 完整的结果和图像制作远程教育课程最重要的广告是口碑传播。学生人数稳步下降的问题是，越来越少的学生推荐这门课。在第一次升级即将结束时，首先要做的事情之一这是一种社区测试，我们可以从我们自己的学生那里得到直接和诚实的反馈，这对完善远程课程的细节有很大的帮助。据推测，一旦学生看到一个成品的形式，他们开始推荐课程，并在过去几年中，已转化为令人鼓舞的反应，从不同机构的学生。当然，这是不可能最终证明，如果一个学期的学生测试是转折点，但结果似乎肯定表明这一点。807060504030201001996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014年见图9。学生注册在这个节骨眼上，同样重要的是要注意，2011年的高数字也部分是由于一个变化，在德国的学校系统中，与前一年相比，几乎有两倍的学生从学校毕业并进入大学尽管如此，趋势是越来越多的学生注册课程并继续完成课程。学生人数9080706050403020100199619982000200220042006200820102012 2014年见图10。完成课程注册（图）9）自2009年以来一直呈下降趋势2012年的数据对应的是春季学期开学以来的前2周，即使在这样的早期阶段，注册学生人数也比平均学生人数多学生人数注册学生百分比···第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲202在我们实验室的前六年里。一个关键的统计数据，以显示我们的教学升级是否真的起作用是注册学生谁继续完成课程的百分比。图10显示了完成课程的学生的百分比，在过去的4个学期（我们还没有2012年的数字），这些数字甚至超过了我们的传统课程。这对我们来说是一个惊喜，但证明了重新工作的模型工作。该课程能够保持学生的动机水平足够长的时间，让他们继续并完成课程，以获得证书。为了完成图片，学生参加我们课程的机构数量也有所增加，这在过去4个学期中没有任何形式的积极推广。2011年，新机构数量同比增长超过36%。作为我们的结果的佐证，巴伐利亚虚拟大学在2011年进行的独立和外部评估将我们的课程评为最高等级，并得出结论，尽管主题明显复杂，但来自学生的年度反馈表明，超过85%的受访学生对课程内容和学习结构表示赞同，并结合他们自己的调查结果，得出结论，课程可以继续，没有任何变化。25201510501996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014年见图11。不同学生机构8. 结论远程实验室当然可以在更长的时间内发挥作用，它们就像现实生活中的产品一样，需要不断适应不断变化的需求，文化和技术。另一个重要的事实是，这种教育平台不必是独立的课程，它们提供了一种补充现有实验室练习的手段，为学生提供了更多的空间和时间灵活性另一方面，需要具体解决通信链路延迟等技术问题，这些问题会对时间紧迫的任务造成干扰。在过去的十年中，有400多名学生注册了我们的课程，这也证明了反馈的一致来源，以改善课程内容和学生体验。确认特别感谢巴伐利亚虚拟大学自2005年以来的持续支持。作者还要感谢德国联邦教育和研究部以及欧盟的资助，我们的机器人远程教育平台最初是在这些资助下构思和建立的。引用ARTRACK（2013年）。Artrack 2系统规格。网址http://www.ar-tracking.com/products/tracking-systems/arttrack-system/arttrack 2.HTML.DePryck，K.（2005年）。开始使用Open and远程教育。皇冠图书公司。URLhttp://books.google.de/books? id=3sRw3u1oojwC。多尔米多湾200，S'an c hez，J.， 和Morilla，F. （2001年）的第10页。电话-一个倒立摆通过万维网的操作基于互联网的控制教育，37EU-INDIA，P.（2013）.国际机电一体化虚拟实验室。网址http://www7.informatik。uni-wuerzburg.de/forschung/telematics/projects/eu\_india/.Garc'ıa，A. 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