基于小部件的远程实验室在灵活教育中的应用

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年基于Widget的远程控制实验室叶夫根尼·波格丹诺夫、克里斯托夫·萨尔茨曼、丹尼斯·吉列瑞士洛桑市的F'ed'eraledeL ausanne（电邮：evgeny.bogdanov，christophe.salzmann，denis. epfl.ch）翻译后摘要：本文提出了一种新的方法来进行实验室实验与EPFL教授的控制类。现有的实验室界面以Java applet的形式构建，允许学生本地或远程访问实验设备，轻量级Web应用程序或小部件。在实现相同的基本功能的同时，这些小部件提供了用户定制和扩展。它们更加灵活，并添加了与其他小部件和周围Web环境的现成交互。本文展示了如何将远程实验设备集成到Graasp平台中，该平台提供知识管理并实现学生之间的协作。教育场景说明了技术挑战，并提出和解释了解决这些挑战的解决方案。关键词：灵活教育，远程实验室，基于Web的学习，小部件，协作1. 介绍灵活的教育是一种最近被学校用来将知识从大学传递给学生的方法。在Gillet et al.（2005）中，作者指出，既需要灵活访问实验资源，也需要提供协作设施在虚拟和/或远程实验室的帮助下，学生可以灵活此外，提供网络协作设施，以支持学生，同时进行实验。例如，当他们产生资源，如模拟结果或测量，他们可以保存在一个共享空间，供其他学生访问。这两个主要要求决定了远程实验室的可用解决方案。许多现有的解决方案都是作为复杂的单片独立框架开发的，这些框架既处理远程实验方面，又支持协作工作。然而，根据Salzmann等人（2012年）的说法，这种单一结构难以适应不断变化的用户需求、不断发展的课程和新技术。在Salzmann和Gillet（2007）中，作者解释说，与现有学习管理系统（LMS）中的远程实验集成相关的高开发开销和困难抑制了通用整体解决方案的传播和接受。尽管现有解决方案存在局限性，但虚拟和远程实验 室 的 需 求 和 理 由 仍 然 存 在 。 Salzmann et al.（2012）提出了一种新的范式，将当前的整体解决方案划分为更小的通用组件（Web小部件），用户可以动态地重新聚合以形成个人环境。类似地，一些智能和灵活性被添加到远程实验服务器，以提供更多的自动化。支持更广泛的客户端和协议。本文展示了这种新的方法是如何使用在洛桑联邦理工学院（EPFL）的自动控制课程。作为单片Java applet实现的现有远程实验室分为根据OpenSocial应用程序规范1的一组轻量级小部件。然后，将这些小部件组合在一起，以提供与现有功能Java applet解决方案这些设置将在EPFL 2012年秋季学期的自动控制课程中使用。使用OpenSocial应用程序将单体应用程序转换为模块化应用程序具有许多优势。首先，它为教师和学生带来了更大的灵活性，因为他们可以自己组装模块或根据自己的意愿更换一些模块。他们甚至可以用其他模块来扩展提议的模块集，例如用于通信的聊天工具或协作公式编辑工具。此外，维护和开发成本大大降低，因为大学不必维护独立的应用程序，而是相对简单的模块，并且可以重用已经存在的模块。其次，小部件使用Web协议，这使得它们可以在不同的Web浏览器（包括移动设备）之间移植。此外，用户不必安装额外的插件，如Flash或Java。最后但并非最不重要的是，OpenSocial应用程序作为一个模块化单元代表了小部件的标准之一这允许将远程实验小部件捆绑包带入学生可能已经使用的其他学习管理系统（例如，Moodle2或Sakai3）。此外，小部件可以将数据保存到Web平台或从Web平台检索数据。此功能可帮助用户直接1http://docs.opensocial.org/display/OSD/Specs2http://moodle.org3http://sakaiproject.org/© 2012 IFAC 189 10.3182/20120619-3-RU-2024.000912012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190将数据存储到LMS或其他平台中，在这些平台上运行实验，并避免额外的身份验证步骤。本文的结构如下。第二节介绍了控制过程中使用的场景。在接下来的第3节中，我们将讨论支持本课程的体系结构。在第4节中，我们详细介绍了我们面临的技术挑战，第5节总结了本文。2. 控制课程教学情景EPFL工程专业的本科生在本科课程的最后一个学期被要求在自动控制实验室课程的背景下进行实验室实践。这些实验课程旨在通过实验研究动力系统的行为。这些实验涉及不同的主题模块，由学生以2至4人为一组每个小组都应该在学期末处理一份报告。在过去5年中，参加该课程的学生平均人数他们可以每周一次直接在校园内访问实验室实验，也可以每周7天，每天24小时远程访问实验室实验。典型的实验室设置介绍实践位置和速度控制是一个伺服驱动器，学生首先确定系统，然后设计一个PID控制器。该装置包括一个配备数字编码器的直流电机。电动机驱动一个充当负载的黄铜圆盘。角位置通过连接到电机轴的数字编码器测量。沿着同一轴，一个扩大的旋转盘允许一个容易的运动可视化。这个放大的圆盘和旋转的负载运动被摄像机捕捉到。整个硬件的设计方式是完全可以从连接的计算机进行控制。类似地，可以从连接的计算机诊断硬件状态。例如，除了所需的磁盘位置和速度测量外，还可以从连接的计算机读取有关电源状态同样，还添加了额外的致动器。例如，用作发电机的第二电动机沿着主电动机轴放置以产生扰动，该扰动可以通过切换发电机负载来远程控制。此外，主电源可以从连接的计算机打开和关闭，以节省能源时，不使用。在课程开始前，教师准备了一份清单，推荐的小部件和指南。还建议提供一个额外的材料，如参考前cathedra课程。在第一个模块中，学生将通过对伺服驱动器应用步进来识别电气驱动器，并测量其响应。学生将需要两个小部件来执行此任务。第一个小部件是一个信号发生器，可以将给定的电压施加到伺服驱动器。第二个小部件是一个示波器，显示施加的信号和伺服驱动响应。一旦测量成功的响应，就可以通过简单的拖放操作将其保存在用户环境中。保存的测量值将自动与组中的其他成员共享在下一个模块中，学生将识别伺服驱动器参数，即时间常数和静态增益为此，他们将使用另一个可以显示测量响应和模拟响应的小部件。将保存的响应从学生环境拖放到小部件中。学生将通过拖动模拟响应来更改模拟信号的参数，直到它与测量的阶跃响应重叠。此时，模拟参数等于系统参数。在接下来的步骤中，学生将使用PI控制器来控制伺服 驱 动 器 的 旋 转 速 度 。 控 制 器 的 设 计 是 基 于Ziggler-Nichols方法。定义Kp和Ti参数后，学生将通过向初始信号发生器和示波器配置添加控制器小部件来验证它们。通过将控制器小部件添加到配置中，伺服驱动器自动从开环模式切换到闭环模式。其他测量结果可以保存到用户环境中。从历史上看，这些实验室会议首先在内部开发的LMS 中 进 行 ， 即 eMersion （ Gillet 和 Fakas（ 2001 ） ） ， 后 来 使 用 eLogbook （ Rekik 等 人（2007））。虽然远程访问实验室的可能性受到学生的赞扬，但这两种环境都受到限制。除了学生必须学习一个新的环境之外，报告的主要限制之一是缺乏学生目前使用的工具的整合。例如，为了加强用户之间的协作，我们引入了自定义聊天应用程序（Salzmann et al.（2008））。事实证明，它几乎没有使用，因为学生们在另一个聊天应用程序中拥有所有的联系人。 对前一种单片环境的评估表明，如果不对当前的LMS环境进行全面反思，就很难缓解这些限制。这种反思导致将以前的环境解构为由服务器端的智能设备提供的各种功能（Salzmann和Gillet（2008）），并在客户端的小部件的帮助下呈现。这种结构允许开发更丰富和更通用的用户体验。在Graasp4中，这些功能的集合与其他地方发现的功能相结合，可以形成一个针对用户需求的个人学习环境（PLE）3. 远程实验室环境本节描述了支持EPFL自动控制教学方案的拟议架构。首先，它描述了如何将一个单一的JavaApplet分割成一组模块化的小部件。其次，它介绍了用于运行远程实验的平台作为小部件，并作为数据存储和协作环境。3.1 作为模块化单元的小部件Web小部件是一种小型应用程序，可以由最终用户在 Web 页 面 中 安 装 和 执 行 。 小 部 件 通 常 使 用DHTML 和 JavaScript 创 建 。 有 几 个 小 部 件 标 准（OpenSocial应用程序，W3C小部件5）。我们依赖于OpenSocial应用程序标准的小部件。之一4http://graasp.epfl.ch5http://www.w3.org/2008/webapps/wiki/WidgetSpecs2012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191主要原因在于，除了窗口小部件的规范之外，OpenSocialFoundation以前，自动控制课程实验室的远程实验由于这种方法的局限性，决定将远程实验室框架重新实现为轻量级小部件（Salzmann等人（2012））。由此产生的实现可以在图中找到。二、Fig. 1. RED设备作为Java小程序图二、RED设备作为一组小部件从两张图片的比较中可以看出，主要功能仍然相同，但是，小部件具有在介绍中讨论的许多有价值的优点。3.2 Graasp作为协作小部件容器一组小部件必须在小部件容器中运行。我们使用Graasp （ 以 前 称 为 Graaasp ） 作 为 小 部 件 容 器（Bogdanov et al.（2010））。Graasp是一个网络平台，旨在研究社会媒体在高等教育中的学习和知识管理潜力（Bogdanov等人（2012））。平台中有4种类 型 的 实 体 ： 资 源 、 应 用 程 序 、 空 间 和 人 员 。Graasp的目标是管理人们它支持用户创建和共享资源和应用程序与其他人在一个空间的背景下。为了支持自动控制课程场景，教师在Graasp中创建了一个包含与课程相关的资源的空间此外，教师还将用于远程实验的小部件添加到该空间中。Graasp中的远程实验室界面如图3所示。然后，学生被邀请进入空间，在那里他们可以找到课程所需的资源：带有实验描述和实验协议的pdf文档，课程助手，远程实验室实验界面等。图3. 在Graasp中运行的RED设备当学生进行实验时，他们产生的数据必须在以后进行分析，或者可能用于考试准备。实验过程中产生的数据可以作为资源从小部件传输到Graasp平台。之后，学生可以与他们的同龄人或导师分享所产生的数据，并使用其他小部件分析数据。Graasp支持学生之间通过生成的工件进行通信的特性。整个安装的一个重要方面是小部件相互通信、与其托管平台通信以及与外部远程智能设备通信的能力。在下一节中，我们将讨论实现通信的技术细节。对远程实验室实验的普遍访问提供给学生。这使得能够在支持灵活教育的生产数据上进行协作。在自动控制课程场景中，我们使用Graasp平台来实现教师/学生之间的协作和知识管理。然而，所提出的解决方案并不限于Graasp，而是包括任何OpenSocial兼容的小部件容器。特别是，它可以很容易地导出到现有的LMS。图4显示了我们的安装设置如何在Moodle LMS中运行。4. 技术细节为了支持自动控制课程，必须解决几个技术问题。本节讨论问题和解决办法。4.1 Apache Shindig作为Widget引擎Java小程序需要Java虚拟机，小部件需要小部件引擎才能在Web页面中运行。微件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192图四、在Moodle中运行的RED设备引擎是由一个小部件容器（在我们的例子中是Graasp）提供的它是基于JavaScript的，这意味着任何最新的Web浏览器都支持小部件，而无需任何扩展或插件。Graasp 使 用 ApacheShindig6 作 为 小 部 件 引 擎 ， 它 是OpenSocial API的开源参考实现。OpenSocial目前缺乏可以映射到课程或由几个人共享的地方的概念（例如，一群学生共享一个实验空间）。为了满足我们对 空 间 和 资 源 概 念 的 特 定 需 求 ， 我 们 扩 展 了OpenSocial API，并在Apache Shindig中提供了一个实现。 由于这个概念在协作平台中是一个相对常见的场景，因此它被提议到OpenSocial规范（Bogdanov etal. （2011））。资源扩展允许将数字工件从小部件保存到其托管容器。类似的概念也存在于OpenSocial规范中，尽管目前 它仅 限 于 照 片 和 视 频 相 册 。 即 将 到 来 的OpenSocial文件API将满足我们的需求，但现在我们必 须 坚 持 我 们 的 扩 展 。 总 之 ， 通 过 使 用 扩 展 的Apache Shindig ， Graasp 可 以 呈 现 OpenSocial 小 部件，并且通过OpenSocial API，学生可以在小部件和Graasp之间交换数据。4.2 小部件间通信在本课程以前使用的单片Java applet中（图1），不同的部分相互交互。如果用户移动滑块，则远程设备通过更新图形并在小程序中旋转设备来做出相应的反应。applet现在被分割成模块化的小部件，但是，这些小部件仍然必须相互通信。因此，如果用户更新了滑块小部件中的滑块位置（图2，左下小部件），其他小部件应该被通知有关更改。为了支持小部件之间的数据和事件交换，需要两种小部件间通信模式：本地和远程。在本地小部件间通信的情况下（图5.a），数据不会离开浏览器，也不涉及远程服务。数据从一个6http://shindig.apache.org/index.html源小部件直接到浏览器内存，然后从那里移动到目标小部件。在Zuzak（2011）中，作者对实现这种沟通的可用技术进行了分类。我们选择了由Isaksson和Pal m'er（2010）介绍的O p enApp方法进行本地小部件间通信，因为与其他方法相比，它的可用性有所提高，并且具有部分语义互操作性。尽管本地小部件间通信对于大多数场景来说已经足够了，但它限制了一些用例。例如，考虑一个可以向分析小部件发送数据的图形小部件。出于性能原因，图形小部件通常显示因此，如果图形小部件要将完整的数据集发送到分析小部件，则不可避免地会包括与服务器的交互，因为完整的数据集位于服务器中。这种类型的通信称为远程小部件间通信。下面将详细介绍该模式的三种实现方案。首先，源小部件向其服务器请求所有数据，并从其远程服务检索数据。然后，数据通过本地小部件间通信发送到目的地小部件（图1）。5.c）。第二，源小部件在本地通知目标小部件有关数据（图5.d）。源小部件或者提供远程访问点，其中数据可以由目标小部件检索，或者要求目标小部件更新其状态。在后一种情况下，目标小部件将从其服务器接收更新的数据。第三种方法即使在多个窗口小部件在不同浏览器中打开的情况下也有效（图5.b）。源小部件或者向其远程服务器发送一些数据，或者请求服务器通知目标小部件源小部件的更新状态。之后，服务器发送数据或新状态到目的地widget。要将数据从服务器传播到小部件，可以使用HTTP POST请求或不同的同步通信方法（WebSockets，AJAX Comet等）。应该注意的是，我们所说的服务器是指单个服务器或可以相互通信的多个服务器的联合。图五.小部件间通信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1934.3 小部件到平台的通信出于安全原因，小部件在与其托管平台的域不同的域上运行，这意味着它们不能直接访问（需要身份验证）平台的API以保存和检索数据。然而，Apache Shindig为小部件提供了一个特殊的安全令牌，并作为代理服务在平台和小部件之间交换通过这种方法，小部件可以在不进行任何额外身份验证的情况下从其宿主容器中保存和检索数据。OpenSocial API在不同的容器中是通用如果小部件通过此API访问容器中的数据，则可以保证小部件将在其他OpenSocial兼容的容器中工作。Widget可以使用AppData API将数据保存到容器中。这些数据属于小部件，可以被它们进一步重用。例如，小 部 件 的 滑 块 的 最 后 使 用 状 态 可 以 保 存 为AppData。下次加载小部件时，它可以检索这些数据并将滑块设置为先前保存的位置。较大的数据（测量，报告）通常保存为Graasp中的资源与资源API（见第4.1节与AppData中始终属于小部件的资源不同资源可以从一个地方移动到另一个地方，在人们之间共享，由不同的小部件访问等。4.4 小部件到智能设备的通信小部件与需要在浏览器中实时更新的远程设备一起工作换句话说，如果用户更改了参数，并且设备对更改做出了反应，则应立即看到操作的效果。远程设备的状态应该在设备和其在浏览器中的表示之间同步类似地，为了支持多个人通过远程设备进行我们使用WebSockets协议来同步状态并将更新从远程设备推送到小部件。5. 结论介绍了EPFL大学自动控制课程中的实验室实验。我们建议将目前使用的Java小程序，通过它的学生可以与实验室设备远程工作到一个轻量级的小部件的组合在提供相同功能的同时，这种分解克服了单片applet方法的缺点。我们讨论了场景实现中的主要技术此外，我们解释了如何远程实验设备可以集成到不同的平台（例如，Moodle LMS），并提供了一个例子，它的使用中的协作知识管理系统称为Graasp，这将在EPFL的过程中使用目前，我们有一个支持自动控制课程场景的工作概念验证设置。然而，在将其提供给学生之前，必须完成额外的工作以首先，必须提供一套概念验证小部件通过使它们对用户友好并完全实现所需的功能，使其进入生产就绪状态。第二，我们相当依赖小部件间的通信。 然而，在Isaksson和Pal m'er（2010）中，作者指出小部件通信有可能恶化用户体验，因为它可能导致用户界面变得更加复杂和不直观。因此，需要在这一领域开展进一步研究并作出必要的调整。确认本文中所描述的研究工作部分是通过角色综合项目资助的;第七个框架计划的一部分，研究和技术发展（FP 7）的欧洲联盟在信息和通信技术，和个人学习环境（第3阶段）的AAA/ESTA计划项目。引用Bogdanov ， E. ， El Helou ， S. ， Gillet ， D. ，Salzmann ， C. ， 陛 下 ， S 。 （ 2010 年 ） 。Graaasp：一个基于聚合数据的web 2.0情境推荐研究平台CHI EABogdanov，E.，Limpens，F.，Li，N.，El Helou，S.，Salzmann，C.，和Gillet，D.（2012年）。高等教育的社交媒体平台。接受教育会议。Bogdanov，E.，Salzmann，C.，和Gillet，D.（2011年）。作为OpenSocial扩展的具有功能皮肤的上下文空间。人机交互的进展。吉列，D.和Fakas，G.（2001年）的第10页。eMersion：机械工程网络教育。8，10Gillet，D.，NguyenNgoc，A.V.N.，和Rekik，Y.（2005年）。柔性工程教育中的协同网络实验。IEEETransactions onEducation，48（4），696-704.Isaksson，E. 和Pal m'er，M. （2010年）。PLEs中的可用性和内部小部件通信。第三届Mashup个人学习环境研讨会论文集。莫科泽湖，本卡塞姆岛 Ndiaye，B.，Ahmeti，V.， Roth，P.， 和Burgi，P.Y. （2011年）。实施技术教育学个人课程的探索性研究学习环境。2011年PLE会议。Rekik，Y.，Gillet，D.，El Helou，S.，和Salzmann，C.（2007年）。eLogBook框架：在面向实验室的CoPs中保持交互、协作和学习. 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