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瑞士洛桑聯邦理工學院：當熱情遇上科技，遠距工程實驗室十年創新

  • 錫昌科教
  • 3天前
  • 讀畢需時 5 分鐘
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從願景到實踐：開創遠距實驗教學的新篇章


來自瑞士洛桑聯邦理工學院 (EPFL) 高級研究員兼講師 Christophe Salzmann 博士，於 1997 年懷抱著創建一個更具包容性、更具彈性的實驗學習環境的願景，開創了最早期的遠距實驗室之一。這套系統讓學生能隨時隨地透過網路控制實體實驗，成功地打破了空間與時間的限制。

為了滿足工程教育不斷變化的需求，Salzmann 博士致力於將先進的硬體與強大的軟體相結合，以創造引人入勝的互動式學習體驗。在與 Quanser 合作的 25 年裡，他不斷升級遠距實驗室基礎設施，充分利用 Qube Servo 2 和 Aero 系統 等易於遠距存取且設置的平台。如今，他經營著一個擁有 25 個設備的分散式遠距存取實驗室（即將擴展到 60 個），為全球學生和教育工作者提供全天候 (24/7) 自由的沉浸式實踐學習機會，無論身在何處，幫助他們掌握必要的實踐技能。 

以下案例研究深入探討了 Salzmann 博士擴大和現代化他的遠距實驗室的歷程、他所面臨的挑戰以及將他的願景變為現實的創新解決方案。



面臨挑戰


早在 1997 年，洛桑聯邦理工學院（EPFL）的 Christophe Salzmann 博士就率先建立了最早的遠距實驗室，讓世界各地的學生能夠在線上控制和觀察實驗。他開發了可擴展且功能強大的軟體，成為這些遠距實驗室的基礎，高效地管理網路、視訊擷取、即時控制和數據處理，靈活地支援大班授課。


圖 1 - Salzmann 博士於 1997 年所使用的歷史遠距實驗裝置 
圖 1 - Salzmann 博士於 1997 年所使用的歷史遠距實驗裝置 

隨著技術的進步，現有的硬體開始落後，缺乏現代工程教育所需的最新感測器、執行器和即時數據處理能力。隨著遠距學習的重要性日益提升，以及對互動式實踐體驗的需求日益增長，升級遠距實驗室的硬體變得至關重要。這些改進對於創建一個更具可擴展性、使用者友善性和技術先進的平台至關重要，從而提升學習成果並適應當代教學實踐。


解決方案


為了更新遠距實驗室，Christophe Salzmann 博士運用與 Quanser 超過 25 年的合作經驗，決定先設置 Qube Servo 系統，然後再設置 Aero 系統。他提到： 

我認識 Quanser 25 年了，非常熟悉他們的解決方案。我相信他們的能力。在 Quanser 的支援下，我們已經將 25 台 Qube Servo 2 整合到我們的遠距實驗室，另外還有 35 台設備正在設置中，包括 Qube Servo 和 Aero 2。 

該解決方案包含硬體以及與 Quanser 工程師的諮詢服務，以便進行必要的修改和定制，從而將硬體整合到遠距實驗室軟體中。下面，我將重點介紹該遠距實驗室的不同組件，包括軟體和硬體。



軟體架構


現有的軟體已具備高度可擴展性和高效性，將成為增強型遠距實驗室的骨幹。軟體採用客戶端-伺服器模型，支援學生與實體實驗透過網路即時互動。伺服器負責管理硬體控制和客戶端連接，而客戶端則提供直覺的網頁介面，可透過任何裝置存取。 

為了容納大量學生（例如，他課程中註冊的290名學生），該軟體整合了負載平衡器，可以將學生分配到可用的Qube Servos伺服器，並根據需要將其他使用者排隊。其基於HTML的介面可以輕鬆與MOOC等學習管理系統集成，為學生提供無縫存取。透過使用IEEE 1876等標準通訊協議，該系統確保了互通性和未來的可擴展性。此外，該軟體的開源特性促進了協作和適應性，使其他機構能夠採用和客製化該系統以滿足其教育需求。 



Qube 服務器的整合與優勢


Quanser 的解決方案是此次升級的完美選擇。 Qube Servo 2 因其卓越的功能和便捷的設定而被選中。 Quanser 的工程團隊與 Salzmann 博士緊密合作，為 macOS 上的 LabView 開發了新的驅動程序，確保與現有軟體的無縫整合。 

以下是選擇 Qube Servo 用於實驗室設置的原因： 


  • 全面的教學工具： Qube Servo 內建感測器、執行器和資料擷取卡，無需客製化硬體即可提供即時控制系統體驗。 


  • 設定簡單： Qube Servo 2 只需連接電源和線即可輕鬆設定。這減少了技術問題，讓團隊能夠專注於教學。 


  • 模組化和靈活性： Qube Servo 可以以不同的方式配置，例如添加單擺，以支援各種實驗和學習目標。 



解決方案實際應用 


對於實驗室設置，他們開發了一套經濟高效的配置，包括 3D 列印框架、攝影機和 LED 燈。他們整合了羅技和微軟 Modern 網路攝影機，以提供清晰的視覺回饋，並安裝了照明解決方案，確保實驗室能夠全天候運作。


圖 2 - 遠距 Qube 伺服設定的攝影機與框架配置
圖 2 - 遠距 Qube 伺服設定的攝影機與框架配置

此外，我們還開發了僅使用一個攝影機的更簡單的設置，以便未來想要建立自己的遠距實驗室的用戶更輕鬆地進行整合。


圖 3 - 遠距 Qube 伺服控制的簡化相機和框架設置 
圖 3 - 遠距 Qube 伺服控制的簡化相機和框架設置 

在下面的示範中，學生可以實作一個 PID 控制器來控制 Qube 伺服馬達的位置。他們可以調整比例、積分和微分增益，並即時觀察系統的反應。透過修改訊號，他們可以立即看到調整的效果。如果測量值與參考值之間存在誤差，他們可以添加積分項來減少穩態誤差，或添加微分項來改善阻尼。


影片 1 - 用於即時控制、監控和回饋的遠距實驗室軟體介面和儀表板

另一個關鍵功能是讓學生能夠設計和實現自己的控制演算法。他們可以用 C 語言子集編寫自訂控制器，這些控制器可以在伺服器上安全地編譯和運行。例如，學生可以上傳程式碼，向馬達施加特定電壓，並觀察系統的反應。系統會立即回饋編碼錯誤，以便快速修正。 

此解決方案具有可擴展性；對於 Aero 等不同產品，需要調整框架和攝影機數量，但核心系統保持不變。



最終成果


每學期約有 400 名學生受益於升級後的遠距實驗室。課程評估彰顯了其成功之處：

 

  • ME-326 課程：在 180 名學生中，84% 對線上實驗室部分給予了正面的回饋，使課程整體滿意率達到 91%。 


  • ME-321 課程：在 200 名學生中，88% 對線上實驗室表示讚賞，整體好評率為 92%。 


學生們尤其欣賞實驗室的靈活性，它可以適應不同的學習風格和時間表，透過真實的實驗室基礎設施使教育更容易獲得和個性化。 


除了洛桑聯邦理工學院 (EPFL) 之外，該遠距實驗室還促進了寶貴的全球學術合作。 Salzmann 博士與塞爾維亞和美國的同事合作，讓塞爾維亞的整個班級都能在線上存取實驗室。該遠距實驗室吸引了全球用戶。下圖展示了遠距實驗室用戶的全球分佈，凸顯了其強大的國際影響力。


圖 4 - 遠距實驗室用戶的全球分佈-綠點代表授權用戶，紅點代表未經授權的存取嘗試。
圖 4 - 遠距實驗室用戶的全球分佈-綠點代表授權用戶，紅點代表未經授權的存取嘗試。

結論


遠距實驗室將現代硬體與可靠的軟體和引人入勝的演示相結合，讓世界各地的學生都能以經濟實惠的價格進行高品質的動手實驗。如果您正在使用 Quanser 產品或希望增強您的遠距實驗室功能，請聯絡 Christophe Salzmann 博士 christophe.salzmann@epfl.ch，以取得軟體實施和建立您自己的遠距實驗室的指導。 


我們的目標是讓 Quanser 的用戶形成充滿活力的社群並在全球範圍內建立聯繫，創建一個致力於改變工程教育的熱情教育者網路。

  

想了解系統的實際運作並了解如何實施類似的解決方案，請觀看網路研討會「Quanser YOUser 網路研討會：如何遠距控制 QUBE」。此資源提供了寶貴的見解和實用指導。


本文轉載自 Quanser 原廠網站，原始文章來源如下

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