مقدمه
تجربیات آزمایشگاهی برای فرآیند یادگیری در تمام حوزه‌های مهندسی حیاتی است، زیرا فناوری اطلاعات چشم‌انداز آزمایشگاه آموزشی را تغییر داده است. سه نوع آزمایشگاه عمومی در آموزش مهندسی یافت می‌شود: دستی، مجازی و از راه دور، که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. تحقیقات نشان داده‌اند که آزمایشگاه‌های مجازی به دلیل سرمایه‌گذاری کم، هزینه‌های نگهداری پایین و سهولت تکرار برای پاسخگویی به تقاضای کاربران و مهم‌تر از همه، به دلیل تأثیر زیاد آنها بر روش‌های جدید تدریس گزینه‌ای مناسب برای تکمیل و یا جایگزینی آزمایشگاه‌های عملی هستند. در این آزمایشگاه‌ها یادگیری فعال و توسعه مهارت‌ها بر اساس چالش‌ها صورت می‌گیرد.
بر اساس مطالعات، دانشجویانی که در تجربیات آزمایشگاهی شرکت می‌کنند، شایستگی‌ها و مهارت‌های مهمی را توسعه می‌دهند. فعالیت‌های آزمایشگاهی به الهامبخشیدن به دانشجویان برای ادامه تحصیل کمک می‌کند و با پرورش مهارت‌هایی که کارفرمایان بالقوه به دنبال آن هستند، آنها را برای مشاغل با فناوری پیشرفته آماده می‌کند.
آزمایشگاه‌های مجازی که به عنوان حوزه‌های تحقیقاتی مورداستفاده قرار می‌گیرند و تعداد آنها در سال‌های گذشته افزایش یافته است، با بهره‌گیری از اینترنت، هزینه‌های آزمایشگاه‌های عملی (کاهش هزینه‌های تجهیزات، فضا، نگهداری، به‌روزرسانی و آموزش و غیره) را کاهش می‌دهد. سیستم‌های شبیه‌سازی کامپیوتری بر آزمایشگاه‌های مجازی تاثیر می‌گذارند. “مجازی” به عنوان “تقلید از آزمایش‌های واقعی” تعریف می‌شود. تمام زیرساخت‌های موردنیاز برای آزمایشگاه‌های مجازی واقعی نیستند، بلکه بر روی کامپیوتر شبیه‌سازی شده است. آزمایشگاه‌های مجازی، مشابه آزمایشگاه‌های عملی، به فضا و دستگاه نیاز دارند. تفاوت مهم بین این آزمایشگاه‌ها و آزمایشگاه‌های عملی «فاصله بین آزمایش و آزمایش‌کننده» است.
آزمایشگاه‌های مجازی با شبیه‌سازی همه چیز در رایانه، آزمایش‌های واقعی را تقلید می‌کنند. شبیه‌سازی‌ها می‌توانند مدت زمان یادگیری را کاهش دهند. دانشجویان مجازند آزمایش‌ها را در یک حالت یادگیری فعال که عملکرد آنها را بهبود می‌بخشد، مرور و درک کنند. داده‌های آزمایشگاه‌های مجازی حتی با شبیه‌سازهای با کارایی بالا (که می‌تواند گران باشد) واقعی نیستند.
کاربرد آزمایشگاه‌های واقعیت مجازی
آزمایشگاه‌های مجازی آموزشی در زمینه‌های مختلفی از جمله فیزیک، شیمی، زیست شناسی، پزشکی و مهندسی استفاده می‌شوند. به طور کلی، آزمایشگاه‌های مجازی به دانشجویان اجازه می‌دهند تا نحوه عملکرد یک سیستم را بیاموزند. پژوهشگران و دانشجویان در استفاده از آزمایشگاه‌ها اهداف متفاوتی دارند. محققان سه هدف اصلی دارند: الف) جمع آوری و تجزیه و تحلیل داده‌ها برای طراحی و توسعه محصولات. ب) تعیین اینکه آیا یک طرح معین همانطور که تصور می‌شود عمل می‌کند یا خیر. و ج) تولید دانش جدید. در مورد دانشجویان، هدف اصلی یادگیری دانشی است که قبلاً تولید شده است. با توجه به جنبه آموزشی، هر قالب آزمایشگاهی مزایا و معایب خاص خود را دارد. آزمایشگاه‌های عملی تعامل و همکاری را تقویت می‌کنند. آنها همچنین به دانشجویان اجازه می‌دهند با آزمون و خطا یاد بگیرند. با این حال، دانشجویان نیاز به نظارت دارند و زمان انجام آزمایش محدود است. مزیت اصلی آزمایشگاه مجازی ایمنی آن در هنگام کارکردن با تجهیزات و ترکیبات خطرناک است. همچنین، به دلیل انعطاف‌پذیری این آزمایشگاه‌ها، دانشجویان می‌توانند در هر زمانی آزمایش انجام دهند. ایراد اصلی این آزمایشگاه‌ها عدم امکان مشاوره و نبود تجهیزات قابل لمس است.
آزمایشگاه‌های واقعیت مجازی در عمل
در ادامه نمونه‌هایی از فرمت‌های آزمایشگاهی مختلف در آموزش مهندسی معرفی می‌شود که شامل توضیحات مختصری از عملکرد و اهداف اصلی آنها است.
TEALsim: یک فضای شبیه‌سازی مبتنی بر وب است که از طریق پروژه آموزش فعال با فناوری فعال (TEAL) در MIT توسعه یافته است. یکی از اهداف اصلی این ابزار ارائه دانش به دانشجویان در زمینه الکترومغناطیس است. جنبه متمایز این آزمایشگاه مجازی این است که آزمایش‌ها دانشجویان را قادر می‌سازد تا پدیده‌هایی مثل تجسم خطوط میدان مغناطیسی نامرئی را ببینند که در شرایط واقعی امکان‌پذیر نیست.
E‑Space: یک ابزار وب است که از طریق پروژه فضای مشارکتی جامعه مجازی برای آموزش علم توسعه یافته است. هدف اصلی آن ترویج استفاده از ابزار مجازی در آموزش علوم است. چندین مؤسسه از بریتانیا، رومانی، اسپانیا، یونان، لهستان و فنلاند در توسعه این پروژه شرکت کردند. E-space از مجموعه‌ای از 55 آزمایش مجازی تشکیل شده است که در دسته‌بندی‌هایی مانند ریاضیات، فیزیک، شیمی و فناوری/الکترونیک طبقه بندی شده‌اند.
ChemCollective: پروژه آزمایشگاه مجازی توسط دکتر دیوید یارون، دانشیار شیمی در Carnegie Mellon (پنسیلوانیا)، با حمایت مهندسان نرم افزار، برنامه نویسان، مشاوران آموزشی و نویسندگان فنی توسعه یافته است. چندین آزمایش مجازی در زمینه شیمی ارائه می‌کند و شامل ابزارهایی مانند فعالیت‌های یادگیری مبتنی بر سناریو، آموزش‌ها و آزمون‌ها می‌شود.
Ironmaking: یک آزمایشگاه مجازی است که توسط دانشگاه RWTH آخن (آلمان) با هدف مطالعه تولید آهن توسعه یافته است. از آنجایی که این یک فرآیند پیچیده است، ویژگی متمایز اصلی این پیشرفت فناوری، نرم افزار مدل شبیه سازی بصری (VSM) است که یک رابط تعاملی را فعال می‌کند که فعالیت‌های انجام شده توسط دانشجویان را نظارت می‌کند، آزمون‌ها را ارزیابی می‌کند و کارایی دانشجو را تجزیه و تحلیل می‌کند.
Technical University of Madrid: آزمایشگاه‌های مجازی این دانشگاه در سال 2010 در نتیجه پروژه GriblabUPM ایجاد شد. این یک پلت فرم نوآوری آموزشی است که در آن آزمایشگاه‌های مجازی کالج‌های دانشگاه فنی مادرید میزبانی می‌شود. دانشجویان بیوتکنولوژی، زیست‌شناسی، رباتیک، آگروفارستری، مکانیزم پیوسته، صنعتی، الکترونیک، شیمی، فیزیک و توپوگرافی می‌توانند توانایی‌های عملی خود را به روشی نوآورانه و ایمن توسعه دهند.
EBiolabs: این آزمایشگاه مجازی از دانشگاه بریستول (بریتانیا) در پاسخ به یک نیاز ایجاد شده است. یعنی دانشجویان برای توسعه تمرین‌ها به خوبی آماده نبودند و آنچه را که انتظار می‌رفت یاد نگرفتند. در EBiolabs، دانشجویان فعالیت‌های مختلفی را در پلت فرم فرا می‌گیرند. قبل از انجام آزمایش، آنها یک آزمون بر اساس اطلاعات آزمایش می‌دهند. آنها نمره و بازخورد را به طور خودکار دریافت می‌کنند. سپس آماده اجرای عملی مجازی هستند که شامل یک رابط است که در آن انیمیشن‌ها و فیلم‌های تعاملی در رابطه با موضوع مورد مطالعه ارائه می‌شود.
مزایا و معایب آزمایشگاه‌های واقعیت مجازی
از جمله مزایای آزمایشگاه‌های مجازی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- آزمایشگاه‌های مجازی یک راه حل مقرونبهصرفه ارائه می‌دهند و جزئیات بیشتری را می‌توان مشاهده کرد.
- چندین دانشجو می‌توانند همزمان از تجهیزات مجازی مشابه استفاده کنند.
- می‌توان مدل‌ها را ساده کرد تا پدیده‌ها بیشتر دیده شوند.
- به دانشجویان کمک می‌کند تا فرآیندهایی را تجسم کنند که معمولاً فراتر از ادراک هستند.
- آسیب در آزمایشگاه های مجازی مجاز است و می‌توان از اشتباهات درس گرفت.
- شبیه‌سازی‌ها می‌توانند مدت زمان یادگیری را کاهش دهند.
- فناوری اطلاعات قابل دستکاری کردن و تعاملی‌تر می‌شود.
- آزمایش‌ها از جمله شبیه سازی‌های پرهزینه و خطرناک به راحتی قابل تکرار هستند.
- دانشجویان می‌توانند سیستم‌های دینامیک آهسته را برای تجسم سریع سرعت بخشند.
برخی از معایب آزمایشگاه‌های مجازی عبارتند از:
- داده‌های آزمایشگاه‌های مجازی حتی با شبیه سازهای با کارایی بالا واقعی نیستند.
- ممکن است دانشجویان به جای اهداف تحصیلی بر رویه‌های شبیه سازی تمرکز کنند.
- دانشجویان ممکن است عدم جدیت، مسئولیت‌پذیری و دقت را نشان دهند.
- ممکن است جایگزینکردن تجهیزات واقعی برای کسب مهارت‌های مناسب در آموزش غیرممکن باشد.
- دانشجویان بر مدل‌های سادهشدهای تکیه می‌کنند که با موقعیت های زندگی واقعی مطابقت کامل ندارند.
- توانایی یادگیری از شناسایی تفاوت‌های بین مدل‌های نظری و واقعی ممکن است از دست برود.
اهداف آزمایشگاه‌های واقعیت مجازی
هدف اصلی آزمایشگاه‌های واقعیت مجازی درگیرکردن و ارائه یک محیط یادگیری فعال است که به دانشجویان اجازه می‌دهد فناوری‌های جدید درگیر در شبکه‌های صنعتی و سیستم‌های تولید یکپارچه را بیاموزند. زمانی که دانشجویان دروس رشته‌های آکادمیک مهندسی را می‌گذرانند، بهترین راه برای یادگیری تمرین است. برخی از مزایای مهم استفاده از آزمایشگاه‌های واقعیت مجازی به شرح زیر است:
- تقویت مفاهیم: داشتن آزمایشگاه‌های واقعیت مجازی دانشجویان را قادر می سازد تا فراتر از کلاس درس به یادگیری ادامه دهند.
- انگیزه: آزمایشگاه با ابزار و ماشین آلات با حضور در صنعت، انگیزه‌ای مضاعف برای یادگیری دانشجو است.
- تنوع: با استفاده از ماشین‌های مجازی، آزمایشگاه‌های واقعیت مجازی به راحتی می‌توانند مجموعه‌ای از ماشین‌ها یا فرآیندهای مشابه را در اختیار داشته باشند که به هر جلسه آزمایشگاهی تنوع می‌بخشند و دانشجو را قادر می‌سازند تا فرآیندهای متنوعی را برنامه‌ریزی کند.
- شایستگی‌ها: دانشجو در طول تمرین‌ها و پروژه‌های مختلف توسعه‌یافته، مهارت‌ها و نقاط قوتی را به دست می‌آورد و به او اجازه می‌دهد تا شایستگی‌هایی را کسب کند که در ابتدای دوره در نظر گرفته شده بود.
آزمایشگاه‌های واقعیت مجازی به اساتید اجازه می‌دهد تا مفاهیم نظری اتوماسیون فرآیند را آموزش دهند و همچنین موضوعات مختلف مربوط به زبان‌های برنامه نویسی عملکردی را توضیح دهند و سپس با استفاده از تجهیزات صنعتی و ماشین‌های واقعیت مجازی آن را عملی کنند. بنابراین، اهداف این شیوه‌ها اعتبارسنجی، نشان دادن و حل چالش‌های اتوماسیون فرآیندهای مختلف با استفاده از مفاهیم نظری برنامه نویسی است. یک کلاس معمولی با آزمایشگاه‌های واقعیت مجازی شامل حداقل زمان برای توضیح نظریه است. سپس، دانشجویان با آزمایشگاه‌های واقعیت مجازی درگیر می‌شوند، جایی که پس از برنامه‌نویسی یک دنباله اتوماسیون، می‌توانند نتایج یادگیری خود را ببینند، لمس کنند، تجزیه و تحلیل و بررسی کنند و مفاهیم نظری را تأیید کنند.
جمع بندی
فرمت‌های آزمایشگاهی مختلف توسط دانشجویان برای یادگیری مفاهیم، تمرین مهارت‌ها و به کارگیری آنها در طول توسعه پروژه‌ها استفاده می‌شود. همه سازمان‌ها از سرمایه‌گذاری منابع در انواع آزمایشگاه‌ها یک هدف دارند و آن ارتقای مهارت‌های فنی دانشجویان و کمک به آنها برای کسب دانش بهتر است تا بتوانند وارد یک نیروی کار رقابتی شوند. در دسترس بودن هر نوع آزمایشگاه شرط کافی برای اطمینان از موفقیت در فرآیند آموزش/یادگیری نیست. هر نوع آزمایشگاهی که به‌عنوان یک محیط مستقل و بدون اتصال به مواد آموزشی کافی ارائه می‌شود، معمولاً دانشجویان را به استفاده از استراتژی آزمون و خطا سوق می‌دهد که تأثیر یادگیری کمتری دارد.
- Marcela Hernández‑de‑Menéndez, Antonio Vallejo Guevara, Ruben Morales‑Menendez, “Virtual reality laboratories: a review of experiences”, International Journal on Interactive Design and Manufacturing (IJIDeM) (2019) 13:947–966