Tesis:
Integrating Computational Notebooks into Cyber-Physical Laboratories for Engineering and Science Education with Application in Thermal Fluid Systems
- Autor: VANEGAS GUILLÉN, Oswaldo Andrés
- Título: Integrating Computational Notebooks into Cyber-Physical Laboratories for Engineering and Science Education with Application in Thermal Fluid Systems
- Fecha: 2024
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: INGENIERIA ENERGETICA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/81275/
- Director/a 1º: MUÑOZ ANTÓN, Javier
- Resumen: Cyber-physical laboratories have been an evolving technology since their initial implementations before the current millennium. The COVID-19 pandemic accelerated their deployment and usage worldwide, as educational and research resources became physically inaccessible. Cyber-physical laboratories are a type of online laboratory that allows participants to remotely operate real educational equipment through a computer network.
Both online laboratories and computational notebooks have become essential tools in the fields of engineering and science education, significantly enhancing the teaching and learning experience with shared aspects, such as high interactivity, space for exploration and research, and the potential for expansion thanks to the web environment where these tools are often deployed.
Despite the benefits of remote laboratories, and although architectures, models, and tools have been proposed to facilitate their implementation, challenges remain in the development lifecycle and integration with educational materials in the experiment session. The integration of computational notebooks in remote laboratories has the potential to contribute technologically and educationally to these challenges.
This study proposes a novel architecture that simplifies the development and management of remote experiments using a publisher-subscriber communication paradigm to securely and efficiently integrate WebAssembly computational notebooks. This approach addresses the aforementioned challenges with two main solutions: the implementation of decoupled communication to simplify the development of thermal fluid laboratory stations and their integration with a remote laboratory system, and the integration of computational notebooks into this system, establishing a complete workflow for the lifecycle of thermal fluid experiments.
This decoupled approach based on publisher-subscriber communication eliminates the need for additional infrastructure for communication at laboratory stations and simplifies the integration of the laboratory station with the remote laboratory system, which requires nothing more than a publish-subscribe client to communicate. The integration of computational notebooks offers the possibility to add and create multiple types of interactive and code-generated content, allowing laboratory administrators and teachers to enhance the scope, clarity, precision, and interactivity of the contents. Thanks to WebAssembly, this proposal avoids the need for specialized servers to deploy notebooks, as all operations, calculations, and data processing are executed locally in the user's web browser.
To implement this proposal, a Remote Laboratory Management System (RLMS) interoperable with virtual learning environments was designed and implemented. The RLMS includes notebook creation, learning scenarios, and grading tools.
For this project, a laboratory station comprising a test bench for thermal fluid systems was built, developed, and implemented in detailed key stages. This laboratory station features remote educational experiments to characterize and evaluate the performance of heat exchangers, developed from a prior analysis of the requirements and objectives of the competencies to be developed.
Several quality criteria categorized into technological, educational, and accessibility groups were quantitatively evaluated using the responses from seventy participants from two different universities. The analysis highlights both the advantages and challenges of the proposal, with significant emphasis on interaction, scalability, reusability, interoperability, and accessibility. The results confirmed the effectiveness of the notebooks in each phase of remote experiments, demonstrating an increase in student participation and active, autonomous exploration.
RESUMEN
Los laboratorios ciberfísicos representan una tecnología en evolución desde sus primeras implementaciones antes del milenio actual. La pandemia de COVID-19 aceleró su adopción y uso a nivel mundial, dado que los recursos educativos y de investigación se volvieron físicamente inaccesibles. Estos laboratorios son un tipo de laboratorio en línea que permite a los participantes manejar equipos educativos de manera remota a través de una red informática. Tanto los laboratorios en línea como los cuadernos computacionales se han consolidado como herramientas esenciales en la enseñanza de la ingeniería y las ciencias, mejorando significativamente la experiencia de enseñanza y aprendizaje. Estas herramientas comparten características como un alto grado de interactividad y son un espacio para la exploración e investigación, además de ser escalables gracias al entorno web en el que se despliegan.
A pesar de los beneficios de los laboratorios remotos, y aunque se han propuesto arquitecturas, modelos y herramientas para facilitar su implementación, siguen existiendo desafíos en el ciclo de vida de desarrollo y en su integración con material educativo en sesiones experimentales.
Este estudio propone una arquitectura que simplifica el desarrollo y la gestión de experimentos remotos, utilizando un paradigma de comunicación publicador-suscriptor para integrar de forma segura y eficiente cuadernos computacionales basados en tecnología WebAssembly. Este enfoque aborda los retos proponiendo soluciones como la comunicación desacoplada, que facilita el desarrollo de estaciones de laboratorio de sistemas de fluidos térmicos y su integración con un sistema de laboratorio remoto. Además, la integración de cuadernos computacionales establece un flujo de trabajo completo para el ciclo de vida de experimentos remotos. El enfoque desacoplado basado en comunicación publicador-suscriptor elimina la necesidad de infraestructura adicional para la comunicación de las estaciones de laboratorio y facilita su integración con el sistema de laboratorio remoto. La integración de cuadernos computacionales permite añadir y crear contenidos interactivos y producidos mediante código, mejorando el alcance, la claridad y la interactividad de los contenidos. Gracias a la tecnología WebAssembly, se evita la necesidad de servidores especializados para desplegar los cuadernos, ya que todas las operaciones, cálculos y procesamiento de datos se ejecutan localmente en el navegador del usuario.
Para implementar esta propuesta, se diseñó e implementó un sistema de gestión de laboratorios remotos (RLMS) interoperable con entornos virtuales de aprendizaje. El RLMS incluye herramientas de creación, escenarios de aprendizaje y evaluación impulsados por cuadernos computacionales. Además, se desarrolló una estación de laboratorio de sistemas de fluidos térmicos. Esta estación permite desarrollar experimentos educativos a distancia para caracterizar y evaluar el rendimiento de intercambiadores de calor. Los experimentos se basaron en un análisis previo de los requisitos, objetivos y competencias educativas a desarrollar. Se evaluaron varios aspectos de calidad de la propuesta, agrupados en criterios tecnológicos, educativos y de adaptabilidad, utilizando las respuestas de setenta participantes de dos universidades diferentes. El análisis resalta tanto las ventajas como los desafíos de la propuesta, enfatizando en características como la interacción, escalabilidad, reutilización, interoperabilidad y accesibilidad. Los resultados confirmaron la eficacia de los cuadernos en cada fase de los experimentos remotos, demostrando un incremento en la participación y exploración activa y autónoma de los estudiantes.