没有合适的资源?快使用搜索试试~ 我知道了~
控制教育新框架:基于Web的互动工具
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Web的控制教育交互工具开发新框架J. C. 去吧。L. 古兹曼。贝伦杜斯。Dormidod'amourp. Len gu ajesyCom put aci'on,UniversityofAlmer'ıa,Spain(e-mail:jgr688@alboran.ual.es,joguzman@ual.es,beren@ual.es).P.D ep. In form'ticayAutom'atica,UNED,Spain(e-mail:sdormido@dia.uned.es).翻译后摘要:交互式工具已被确立为一个很好的补充,控制教育,帮助学生学习复杂的概念。使用Easy Java Simulations和Sysquake等环境创建了各种不同的这些工具非常强大,但它们仅限于在任何类型的设备中使用,因为它们需要可执行文件或虚拟机。本文提出了一个新的框架,以开发互动工具,控制教育。这些交互式工具仅根据ECMA和W3C标准开发,允许它们在任何包含符合这些标准的Web浏览器的设备中使用。执行问题和一些例子。关键词:互动性、网路学习、控制教育、模拟。1. 介绍在教育领域,近几十年来,有新的学习和教学方法和技术。这些方法使教育工作者能够找到创新的技术来改进他们的教学任务:多媒体工具、超文本系统、互动系统、教师和学生通过互联网进行信息交流、不受时间限制地从世界 任何 地 方 获取 信 息等 , 最 伟大 的 革命 是 由 万维 网(WWW)产生的。这些新技术、新方法充分体现了新信息与通信技术对教育的影响和利弊。传统上,这些新的技术和方法已被显示在本地仿真工具和本地实验室的形式,这是由学生使用,以改善一些实际的练习,但在实际系统的空间和时间的限制由于国家信息和通信技术研究所,特别是因特网技术,这些技术已经转移到远程教育。为此,出现了两个新概念,即远程学习、远程实验室和模拟工具。同样,教师提供信息的方式多年来也得到了改进,在互联网上提供然而,最大的影响是交互式工具(IT)的出现。虽然交互性可以从几个角度来定义,但从教育的角度来看,它可以被定义为具有活动的、动态的和/或交互式组件的图形窗口的集合,其目的是这项工作得到了以下项目的部分资助:DPI 2007 -61068,DPI2010 -21589-C 05 -04和DPI 2011 -27818-C 02 -01(由西班牙科学和创新部和ERDF基金资助)。解释一个概念(Guzm ′an等人, 2011年)。交互式工具被认为是增强学生直觉的一个巨大刺激。他们试图通过对特定 例 子 的 可 视 化 来 揭 开 抽 象 数 学 概 念 的 神 秘 面 纱(Dormido,2004)。许多关于自动控制的交互式工具可以在文献中找到(Johansson等人,1998; Heck,1999;Bucceri等人,2005年; S'anchez等人,2005年;Guz m'an etal.,2005,2008;A'lavrez等人,2011年)。这些工具已被提出作为一个很大的支持控制教育从基本的概念,直到更先进的。这些工具的开发1998年),直到最近才出现专注于开发交互式工具的专用编程环境,例如Easy JavaSimulations(EJS)(Esquembre和S′anchez,2004年)或Sysquake(Piguet,2004年)。这些交互式工具的主要缺点是,它们需要虚拟机(EJS需要Java虚拟机)或可执行文件来运行(根据运行的操作系统,Sysquake需要特定的可执行文件)。当我们在计算机中工作时,这个缺点似乎并不很难,但当我们使用移动设备(如手机(智能手机)或平板电脑)时,这是一个很大的限制。这些设备中的大多数容量有限,因此不可能承受繁重的应用。另一方面,它们使用的操作系统比计算机使用的操作系统更受限制,这是现有交互式工具的兼容性问题。请注意,智能手机和平板电脑的使用每天都在增加,学生从这些设备访问教育材料是很常见的。因此,有必要评估新的替代方案,允许开发互动工具来面对这一缺点。本文提出了一种基于Web标准的解决方案,特别是万维网协议,© 2012 IFAC 183 10.3182/20120619-3-RU-2024.000572012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184tium(W3C)和ECMAscript。W3C标准为应用程序开发定义了一个开放的Web平台,该平台具有前所未有的潜力,使开发人员能够构建丰富的交互式体验,由庞大的数据存储提供支持,可在任何具有Web浏览器的设备上使用( W3C , 2011 ) 。 ECMAScript 是 一 种 被 广 泛 称 为JavaScript的Web脚本语言,提供了一种机制来激活浏览器中的网页,并作为基于Web的客户端-服务器架构的一部分执行服务器这项工作描述了一个初步的图书馆开发互动工具,控制教育根据这些标准。此外,使用这个新的框架开发的六个交互式工具的第一个集合本文的组织结构如下。第二部分总结了本文所使用的网络技术。在第3节中描述了所提出的库,在第4节中给出了一些示例。最后,在第5节中得出结论和未来的工作2. 基于web的技术在这项工作中开发的库和交互式工具是使用ECMA开发的标 准 创 建 的 , 称 为 ECMAScript ( 广 泛 称 为JavaScript),以及W3C开发的基本脚本接口,即文档对象模型(DOM)。这些界面允许我们动态访问和更新浏览器中显示的交互式工具的内容、结构和样式。此外,我们还使用了W3C开发的不同标准这些标准已经集成到一个用JavaScript编码的库中,如下所示:超文本标记语言(HTML)标准已被用于添加包括在交互式工具中的不同基本元素,诸如按钮、滑块、输入和包含图形和交互式组件的框架层叠样式表(CSS)标准已被用于定义交互式工具的样式,为背景和图形上绘制的线条的不同元素赋予颜色,为按钮赋予形状,改变边缘的厚度等。包含不同交互式工具的平面和图形已使用可缩放矢量图形(SVG)标准以及图标和其他图形元素创建。SVG已经被用来代替Canvas API,因为SVG是几乎所有Web浏览器的标准,即使是移动设备上的浏览器。Canvas API最终将与HTML5标准一起引入,因此可能尚未被许多Web浏览器实现。此外,SVG使用矢量绘制,而Canvas使用位映射,这导致SVG的视觉效果更好,但Canvas的性能也更差。然而,使用SVG的主要原因之一出现在处理事件时,因为SVG可以自动捕获绘制元素(线,点)中的事件,而在Canvas中必须遵循手动过程才能检测到它。交互式工具中显示的公式是使用数学标记语言(MathML)。为了使用这个标准,我们获得了W3C发布的MathML3.0 CSS样式模板本集团已作出若干轻微修改,以修补用于测试互动工具功能的网页浏览器的细小视觉缺陷。以下各节将介绍开发图书馆和互动工具的实施问题。3. 图书馆的结构和执行问题该库的实现采用面向对象的编程理念,为构成交互式工具的不同元素创建我们试图以最通用的方式创建这些类,使使用继承成为可能,从而允许用户以简单的方式创建自己的元素。此外,外观(字母的字体、大小、颜色等)项目的属性是可修改的,控件或图形的主要特征也是如此(刻度的划分、所用变量的上限和下限等)。请注意,对于第一个版本,该库的开发重点是简单的交互式工具,用于分析一阶和二阶系统,零和延迟效应以及时域中的PID控制。因此,库中包含的用于开发交互式工具的主要类如下:数据此类生成要在工具中绘制的数据。从该类继承的类是Step、Fir-sOrderSystem和SecondOrderSystem。 它们包含在方法generateData()中模拟和实现的各个系统的特征变量,该方法负责创建数据。也就是说,数据类是一个抽象类,其他类继承自它。另一方面,数据也可以通过使用Ajax的Web服务获得,但这种方法没有被选择,因为它已经被证明会损害工具的交互性。Frame.这个类创建一个框架,在这个框架中绘制由数据类型对象创建的数据.它包含一个Graphic或PlaneS类,其中表示在Data类中生成的数据和/或创建的变量它还包含用于更改图形缩放比例的按钮。Ivalue。它将创建可由Data类修改的变量,例如步长的幅度和系统的时间延迟。这个类包含修改其值的方法,以及在其他相关变量的值被修改时检测事件的方法。例如,一阶系统的时间常数的图形表示取决于步进时间值和时间延迟值。我控制。这个类专门用于创建用于修改表示Ivalue类的值的控件。它在变量名下生成一个默认帧,一个滑块和一个输入字段来修改变量的值。要创建一个变量的控件,只需要运行Ivalue类的Icontrol(),它将创建一个Icontrol类对象。····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185Fig. 1.一阶系统元素此类用于表示包含Frame类的图形中Ivalue类中包含已经为它们创建了一个Ielement类,其中包括用于表示交互式图形点的Idot和用于分别表示交互式垂直或水平线的IVline 或 IHline 等 以 图 形 方 式 表 示 的 Ivalue 类 的 值 是PaintValue变量。财产创建此类是为了生成不用于Data类的数据生成的变量。任何由多个对象共享的变量都是用这个类创建的。这个类主要是为用户界面设计的,用来创建库中使用的交互式工具3.1图书馆使用本节展示了一个使用库创建交互式工具的示例。图1中示出了所得到的交互式工具,其描述了针对阶跃输入信号的一阶系统动力学的分析,包括以下部分:带有交互式控件的区域,可修改一阶过程和阶跃输入信号的主要参数(工具的左上部分显示步骤的图形,其中可以交互修改步骤时间和步骤值(工具的右上部分)。显示系统的s平面和极点的图形,可以交互地改变(工具的左下部分)。过程输出的图形,其中过程增益和过程时间常数可以分别通过交互式水平线和垂直线进行修改(工具的右下部分)。使用该库开发一个新的交互式工具是通过创建一个包含一些特定部分的普通HTML页面来执行的。 此页面必须加载已开发的库、interactive control.js和数学图形表示的CSS样式。然后,必须实现一个JavaScript函数来初始化主变量、图形元素和交互功能。下面几行显示了图1中所示示例的代码一曰:(01) (02) (03) <链接rel=“样式表”type=“text/css”href=“mathml.css”/>(04) (05) (52) <联系我们代码从HTML页面的典型头部开始,从第(01)行到第(04)行。在代码的这一部分中,数学表示的CSS样式和开发的库分别如上面第(3)行和第(4)行所述被加载。然后,有必要创建一个初始化函数,根据上一节定义的类定义要包含在交互式工具最终模拟时间和采样周期在行(08)和(09)中定义。从(10)到(15)的行专用于定义阶跃信号,其中阶跃数据在行(10)-(11)中生成,并且交互式图形····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186示出了阶跃输入信号在行(12)-(15)中定义。请注意,对于第(10)行中的阶跃数据定义,最终模拟时间和采样周期是如何以行定义的(08)和(09)被使用。另一方面,然后在行(12)中使用该步骤数据来创建交互式图形表示,其中还设置了图形的大小。一旦输入信号被创建,第一阶系统参数和图形从线(16)到(25)被定义第一阶数据在代码行(16)-(18)中创建,其中采样周期、最终模拟时间和步长数据用于定义。然后,在第(19)-(25)行中定义了两个不同的交互式函数。这些数字是一阶系统的阶跃响应和显示系统极点的s平面,其中主要定义分别在行(19)和(20)中请注意,在这些定义中,数字的大小和位置是如何表示的。下一个阶段是定义交互式图形之间的联系。这在第(26)行中完成。通过此链接,阶跃输入信号图形上的变化与基于阶跃的一阶响应的图形相互关联因此,当一步信号参数发生变化时(步进时间或步进幅度),这些变化会立即移动到基于步进的一阶响应。位于工具左上方的参数区域在代码行(27)-(46)中定义第(27)-(34)行涉及步进时间和步进幅度的定义以及相应滑块的位置同样,行(35)-(42)定义了过程增益和时间常数的初始值和滑块然后,在线(43)-(46)中设置图形传递函数的位置。最后,代码结束于init函数的定义和HTML页面的头部,第(47)-(52)行。此外,在第(50)行中包括对页面加载时的init函数的调用默认情况下,表示时间变量的交互式元素显示为蓝色,而表示幅度或增益变量的交互式例如,在步进输入信号图形中,有两条交互垂直线分别用于修改步进时间和步进幅度。在s平面图形中,极点和零点用红色表示,两者都是交互的。请注意,在系统中包含新参数非常简单。例如,要在前面的例子中定义的一阶系统中包含时间延迟,我们只 需 要 包 含 以 下 代 码 行 : system.delay.setEnable(true);。从此时起,时间延迟将出现在参数区域中,表示该延迟的垂直交互线也将添加到基于阶跃的一阶响应中。4. 交互式工具上述库已被用于创建六个基于Web的交互式工具,以分析一阶无延迟系统,一阶有延迟系统,二阶系统,二阶有延迟系统,二阶系统中的零效应,以及一阶系统的PID控制 。 这 些 交 互 式 工 具 可 在 www.example.com 上 获 得http://aer.ual.es/webcontrol/。本节简要介绍这些工具的主要特性图二、二阶系统的交互式工具一阶系统的工具已经在前一节中描述过,见图1。具有时间延迟的一阶工具与此完全相同,但包括一个交互式滑块和一条交互式垂直线来修改时间延迟。图2显示了二阶系统的交互式工具。对于一阶系统的情况,该工具分为四个部分。在左上角部分有几个控制来修改阶跃信号参数(阶跃时间和阶跃幅度)和二阶系统参数(静态增益、阻尼因子和过阻尼自然频率)。当二阶过程有两个实极点时,对参数进行修改,使其包含两个新的控制,用于相应的两个时间常数。在这些参数下面,绘制了过程传递函数的图形表示步骤输入图形显示在右上角区域。该图形有一条蓝色垂直线和一条红色水平线,分别用于交互修改步进时间和步进幅度。在左下方区域,有一个表示s平面的图形。该图形允许交互式地更改过程极点的位置。最后,阶跃响应图形位于左下区域。此图形包括一条蓝色垂直线,用于修改过阻尼自然频率;一条绿色水平线,用于修改静态增益;以及一个紫色点,用于更改阻尼因子对响应过冲的影响当系统有两个实极点时,这些交互元素被改变为包括两条代表相关时间常数的蓝色垂直线图图3显示了零的二阶系统该工具允许研究过程动态中的零效应。该工具与二阶系统完全相同,但现在已经包含了额外的交互元素在工具的左上角添加了一个新的滑块以修改零参数,零交互元素也包括在S平面图形中,并且现在在二阶系统响应处绘制了三条曲线。这三条曲线分别表示二阶系统的零响应、无零响应和零响应的导数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187图3. 二阶系统的交互工具交互点位于最后一条曲线的顶部,以便交互地修改零效应。最后图4描述了一阶系统PID控制的交互式工具PID控制器和过程参数可以在左上角交互修改使用滑块的工具。在该区域下方,显示过程和控制器传递函数。控制信号绘制在位于工具右上角的图形中。跟踪和负载扰动响应的受控过程输出如屏幕底部的图所示从该图形中,可以交互地改变设定点幅度和负载扰动的步进时间和幅度。正如引言部分所述,开发这种交互式工具的主要动机是它们可以在任何移动终端中轻松运行。因此,交互式工具已在具有不同操作系统(Mac OS、Windows、Linux)的计算机和几种移动设备(智能手机、iPhone、iPad等)中成功测试一个例子如图所示5,其中图中所示的交互式工具3在iPad 2上运行5. 结论本文介绍了一个库和一些简短的例子,说明如何开发基于Web的交互式工具,以便在任何类型的设备上运行。其交互功能类似于著名的环境如Sysquake和EJS所提供的功能,但其主要优点是这些新的交互工具可以仅使用Web浏览器运行,而无需虚拟机或可执行文件。该库和工具是根据ECMA和W3C标准开发的,可以创建动态和开放的基于Web的接口。虽然这种解决方案似乎适合于开发基本的交互式工具,但它对开发具有复杂数学计算的更高级工具存在一些限制。因此,未来的工作将集中在使用JavaScript或Python开发的数学库来面对这些限制。见图4。用于PID控制的引用我们会 回来的,J。D、 古兹曼,J.L.,Ri vera,D., 别生气,M.,和Dormido,S.(2011年)。ITCRI:一个用于控制相关识别教育的交互式第18届国际会计师联合会世界大会,意大利。Bucceri,D.,你好,J。,D或mido,S.,和Mullhaupt,P.B.D.(2005年)。扁平系统的交互式3D模拟:以蜘蛛起重机为例。第44届IEEE决策与控制会议和欧洲控制会议。塞维利亚(西班牙)。多尔米多湾(2004年)。控制学习:现在和未来。Annual Reviews in Control,28(1),115ECMA ( 2011 ) 。 ECMAScript 语 言 规 范 。http://www.ecma-international.org的网站。Esque mbre,F. S'anchez,J.(2004).EasyJavaSiM-lations 3.3.如 何 在 Matlab 和 Simulink 中 使 用 Ejs 。http://fem.um.es/Ejs/的网站。Guzm'an , J.L. , J.你好 , K 。 , D 或 mido , S. ,Hüagglund,T.,和Piguet,Y.(2008年)。互动学习模块,PID控制IEEE控制系统杂志,28(5),118-134。可通过以下网址获得:http://aer.ual.es/ilm/。古兹曼,J., Berenguel,M., 和Dormido,S. (2005年)。 约束广义预测控制的交互式教学。IEEE控制系统杂 志 , 25 ( 2 ) , 79 可 通 过 以 下 网 址 获 得 :http://aer.ual.es/siso-gpcit/。古兹曼,J., Dormido,S., 和Berenguel,M. (2011年)。教育中的互动:自动控制领域的经验。计算机在工程教育中的应用敬阿佩。DOI:10.1002/cae.20480。赫克,B。(1999年)。 通过交互式GUI设计增强经典控制教育。 IEEE控制系统杂志,19(3),35-58。约翰,M, 你好,M., 还有,K. (1998年)。用于自动控制教学的交互式工具IEEE控制系统杂志,18(3),33Piguet,Y.(2004年)。SysQuake:User Manual.卡勒加你好,J。,D或mido,S., 和E平方根,F. (2005年)。使用交互式工具学习控制概念计算机在工程教育中的应用,13(1),84-98。W3C ( 2011 年 ) 。 万 维 网 联 盟 ( W3C ) 。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188http://www.w3.org/Consortium/的网站。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189图五.图3所示的基于网络的交互式工具在iPad 2
下载后可阅读完整内容,剩余1页未读,立即下载
cpongm
- 粉丝: 4
- 资源: 2万+
上传资源 快速赚钱
- 我的内容管理 收起
- 我的资源 快来上传第一个资源
- 我的收益 登录查看自己的收益
- 我的积分 登录查看自己的积分
- 我的C币 登录后查看C币余额
- 我的收藏
- 我的下载
- 下载帮助
会员权益专享
最新资源
- VMP技术解析:Handle块优化与壳模板初始化
- C++ Primer 第四版更新:现代编程风格与标准库
- 计算机系统基础实验:缓冲区溢出攻击(Lab3)
- 中国结算网上业务平台:证券登记操作详解与常见问题
- FPGA驱动的五子棋博弈系统:加速与创新娱乐体验
- 多旋翼飞行器定点位置控制器设计实验
- 基于流量预测与潮汐效应的动态载频优化策略
- SQL练习:查询分析与高级操作
- 海底数据中心散热优化:从MATLAB到动态模拟
- 移动应用作业:MyDiaryBook - Google Material Design 日记APP
- Linux提权技术详解:从内核漏洞到Sudo配置错误
- 93分钟快速入门 LaTeX:从入门到实践
- 5G测试新挑战与罗德与施瓦茨解决方案
- EAS系统性能优化与故障诊断指南
- Java并发编程:JUC核心概念解析与应用
- 数据结构实验报告:基于不同存储结构的线性表和树实现
资源上传下载、课程学习等过程中有任何疑问或建议,欢迎提出宝贵意见哦~我们会及时处理!
点击此处反馈
安全验证
文档复制为VIP权益,开通VIP直接复制
信息提交成功