E-learning na uczelniach. Koncepcje, organizacja, wdrażanie

Tekst
Przeczytaj fragment
Oznacz jako przeczytane
Jak czytać książkę po zakupie
Czcionka:Mniejsze АаWiększe Aa

Wykład jest wciąż i powszechnie istotną formą zajęć, wbrew nazwaniu jej przez R. Millikana „głupim anachronizmem z czasów przed wynalezieniem druku” (attempting to cover the whole subject in a series of lectures, as is often done, is a stupid anachronism – a holdover from pre-printing-press days [6]). Psychologowie za Edgarem Dalem twierdzą, że zapamiętujemy 10% tego co czytamy, ale aż 20% tego, co słyszymy – tłumaczy to, czemu mimo wielu (niejednokrotnie wspaniałych!) podręczników wykłady wciąż się odbywają. Z samej perspektywy „sensorycznej” wykłady mogłyby przegrać z podręcznikami w formacie audiobooka (swoją drogą jeszcze się z takim nie spotkałem, choć niektóre czytniki e-booków oferują czytanie na głos, jeżeli sam produkt zezwala na aktywację tej funkcjonalności) albo webinarami. Ale tu sytuacja jest chyba podobna do sztuki aktorskiej – mimo kręcenia świetnych filmów, teatry nie znikły ani nie straciły na znaczeniu. Istota dobrego wykładu i dobrego przedstawienia teatralnego jest ta sama – nawiązanie i utrzymanie żywego kontaktu z audytorium, co zresztą widać w znakomitej większości wspomnianych wyżej archiwalnych nagrań wykładów.

Inną cechą charakterystyczną wykładów z interesującego obszaru tematycznego prowadzonych w dużych ośrodkach akademickich, takich jak np. MIT (oferujący chyba najwięcej otwartych i darmowych zasobów kursowych), jest wzbogacanie wykładu demonstracjami. Sam z lat studenckich nie pamiętam takowych na przedmiotach technicznych (ale były powszechne na wykładach z fizyki), choć starsze podręczniki do elektroniki (np. [7]) taką praktykę uważały za oczywistość, czego dowodem jest zawarcie pod koniec każdego rozdziału sugestii dla demonstratorów, które zachowały się nawet w polskich tłumaczeniach. Jednak w odróżnieniu od spektakularnych pokazów z podstaw mechaniki klasycznej realizacja równie widowiskowej demonstracji działania układu elektronicznego jest jednak problematyczna z uwagi na wielkość przyrządów pomiarowych i utrudnioną ich bezpośrednią obserwację w dużej sali audytoryjnej. Wobec niezatrzymywalnego trendu redukcji kosztów obsługi technicznej (ze studenckich czasów pamiętam dedykowaną obsługę większych sal wykładowych, dziś jako wykładowca jestem odpowiedzialny za sprawdzenie okien, prawidłowe zamknięcie drzwi po zajęciach i zwrot kluczy na portiernię) wydaje się, że demonstracje na żywo mogą być dziś z powodzeniem zastąpione ich filmowymi nagraniami, których całe mnóstwo jest do znalezienia np. w serwisie YouTube.

Wobec wspomnianego „nadurodzaju” rolą wykładowcy jest – podobnie jak w zakresie literatury przedmiotu – wskazanie zasobów najodpowiedniejszych i najwartościowszych. W naszym środowisku są (osobiście znam kilku) zapamiętali twórcy podobnych zasobów filmowych, co trzeba przyjąć z wielkim uznaniem i propagować ich ofertę oraz uczyć się od nich. Tak czy inaczej rolą demonstracji wykładowej (nawet „zewnętrznej” i odtworzonej multimedialnie) jest jeżeli nie synergia, to przynajmniej sumaryczne zwiększenia trwałości efektów kształcenia. Połączenie tego, co słyszeliśmy, z tym, co zobaczyliśmy, według Dale’a podnosi do 50% efekty zapamiętywania, które jeszcze niekoniecznie jest rozumieniem, ale stanowi choćby częściowo jego warunek wstępny.

Kiedy na początku września ubiegłego roku uczestniczyłem w uroczystości otwarcia studia webinarowego w CeL, z udziałem całego kolegium rektorskiego, ani ja sam, ani chyba nikt z obecnych nie przeczuwaliśmy, jak szybko przyjdzie nam przełamywać odczuwalne przecież przez wielu opory przed „mówieniem do ścian” (co jest skądinąd anegdotycznym wręcz, choć mało pochlebnym określeniem przynudzającego wykładowcy). W dodatku nie można było nagrać webinaru, uprzednio rezerwując studio (zakaz wstępu na uczelnię), ale przyszło nam stanąć przed palącą potrzebą stworzenia domowej jego namiastki.

Zanim przejdę do opisu własnego „warsztatu” pracy zdalnej, kilka słów poświęcę wypracowanej (jeszcze w okresie przedpandemicznym) formie prowadzenia wykładów i pomocy do nich. Przyjęto niemal za standard, że wykładowca używa slajdów PowerPointa. Projektuje je sam lub tylko adaptuje – użytkownicy o zweryfikowanym statusie nauczyciela akademickiego często mogą je uzyskać od wydawnictwa. Wiem, że jest to kuszące, sam przez pierwsze dwa lata prowadzenia kursu anglojęzycznego takiej pokusie uległem, tym bardziej że autor wybranego przeze mnie podręcznika udostępnia wszystkim źródłowe wersje slajdów na publicznie dostępnej stronie WWW. Jednak rychło zauważyłem, że przy takiej formie aktywizacja studentów jest ogromnie trudna. Przeczytałem zatem dokładniej adresowaną do wykładowców przedmowę, znajdując w niej zdecydowaną apologię tablicy (My conclusion is that the good old blackboard is still the best medium for teaching undergraduate microelectronics [8]).

Sprawdziłem to doświadczalnie, podzieliłem i ugruntowałem to przekonanie – przynajmniej w zakresie pierwszego semestru wykładu z Analogowych układów elektronicznych prowadzonych przeze mnie tą metodą od ośmiu lat dla grupy anglojęzycznej. Zauważam, że szkicowanie „na żywo” prostych schematów, ich ewentualna późniejsza modyfikacja są bardziej pouczające, niż wyświetlenie gotowego rysunku. Z drugiej strony wstępna analiza na uproszczonych modelach zastępczych wykorzystuje dość elementarny aparat matematyczny, więc dobrze robić obliczenia wraz ze studentami, „na żywo”. Bardziej czasochłonne obliczenia można zadać jako pracę domową lub kontynuować je na ćwiczeniach tablicowych (jeżeli są przewidziane w programie), ale pokazanie (najlepiej bez notatek) na tablicy prostych wyprowadzeń jest kluczowe dla wskazania perspektywy „to jest proste i zrozumiałe”. Zysk jest podwójny – demitologizujemy „wiedzę objawioną”, ugruntowując przy okazji sprawność rachunkową w zakresie algebry i analizy matematycznej, i jednocześnie pokazujemy, że aparat matematyczny, którym studenci byli „prześladowani” na pierwszym roku studiów, jest ciągle potrzebny. Od strony metodycznej konieczność wykonywania własnych notatek jest bez wątpienia formą aktywizującą. Według obiegowych, ale powtarzanych opinii pokolenie Z nie lubi ręcznego pisania – moje obserwacje są odmienne. Notuje obficie, choć coraz powszechniejsze staje się użycie tabletów z kosztownymi najwyraźniej rysikami – są traktowane z pieczołowitością, jaką moje pokolenie okazywało dobrym wiecznym piórom.

Ważnym elementem aktywizacji są też quizy dotyczące bieżąco omawianej tematyki, szczególnie jeżeli w jakiś sposób premiuje się prawidłowe odpowiedzi. Atrakcyjność quizu można podnieść, używając jednego z wielu dostępnych serwisów internetowych (np. socrative.com, quizizz.com) i wykorzystując ideę PSW (Przynieś Własny Sprzęt, ang. Bring Your Own Device, BYOD). Studenci, korzystając z własnych telefonów komórkowych (bo trudno oczekiwać przynoszenia przez każdego z nich własnego laptopa – ale sytuacja diametralnie się zmienia, gdy pozostają w swoich domach), rozwiązują krótki test wyboru, przy czym serwisy takie często punktują nie tylko prawidłowość odpowiedzi, lecz także szybkość jej udzielenia.

W semestrze zimowym 2019/2020 po raz pierwszy prowadziłem zajęcia pierwszego semestru układów elektronicznych dla studentów polskojęzycznych w dużej sali wykładowej. Rychło okazało się, że sama metoda jest może sprawdzona, ale instrumentarium wymaga modyfikacji. Białe tablice suchościeralne dobrze sprawdzają się w kameralnych przestrzeniach, w dużym audytorium studenci narzekali na słabą widoczność rysunków i wzorów. Całe szczęście na przydzielonej mi sali był też projektor i tzw. wizualizer, pozwalający na udostępnianie widoku zapełnianej na bieżąco zwykłej kartki papieru przez przetworzenie go na obraz cyfrowy w kamerze podłączonej do konwencjonalnego projektora multimedialnego. Sięgając głębiej pamięcią, dostrzegam analogię ze starszymi urządzeniami, np. kultowym Lechem 3 z poznańskiej Fabryki Pomocy Naukowych. Wyparł kompletnie zapomniany epidiaskop, a zwany był potocznie rzutnikiem pisma – pisało się wodoodpornymi pisakami na przewijanej rolce folii, powiększony obraz był zaś widoczny na ekranie. Użycie gotowych, wcześniej przygotowanych (początkowo też przecież odręcznie) slajdów przyszło później. Myślę, że oba urządzenia z tak różnych technicznie epok łączy jednak ta sama pierwotna idea. Mnie, mimo pewnej praktyki z tablicą, wciąż prościej rysować czy przekształcać wzory na powierzchni ograniczonej rozstawem palców jednej dłoni niż zasięgiem obu ramion.

Niemal identyczną konfigurację da się odtworzyć w warunkach domowych i przy wydatkach mieszczących się w ramach akceptowalnego kosztu uzyskania przychodu. Wystarczy do tego przeciętnej klasy kamera internetowa umocowana na odpowiednim statywie – ja wykorzystałem do tego celu dociążoną czterema kulkami magnetytowymi podstawkę wymontowaną z prostego uchwytu montażowego do lutowania, tzw. trzeciej ręki z lupą, wymieniając w nim na znacznie dłuższy pionowy pręt filarowy i wykorzystując do umocowania kamery jeden z chwytaków (rys. 2.2a). Mimo niewyszukanej konstrukcji zestaw sprawdził się doskonale – przy nieco wyższym zawieszeniu możliwe jest objęcie polem widzenia kamery nie tylko formatu większego niż A4 (który jest moją preferencją), lecz nawet niewielkiej tablicy suchościeralnej położonej na blacie biurka/stołu. Mocowanie mimo prowizoryczności zapewnia widzom stabilny obraz o wystarczającej rozdzielczości.

W semestrze letnim 2019/2020 prowadziłem wykłady o umiarkowanej konieczności użycia tablicy, a moja żona potrzebowała takiego instrumentarium do swoich wykładów i ćwiczeń. Odstąpiłem jej zestaw, planując szybkie wykonanie duplikatu. Okazało się to misją niewykonalną – rzecz działa się na przełomie marca i kwietnia 2020 roku, gdy handel tradycyjny ograniczał się do aptek i sklepów spożywczych, a sprzedaż sieciowa tego asortymentu też zamarła z uwagi na wyczerpanie zapasów i przerwanie łańcuchów dostaw. Gdy stało się to już możliwe, zbudowałem ulepszony duplikat (musząc zapłacić w lipcu 2020 za podobny do kupionego pół roku wcześniej model kamery kilkakrotnie więcej niż uprzednio). Za przydatność przedstawionego rozwiązania oraz jego akceptację przez odbiorców mogę jednak ręczyć swoim nazwiskiem.

 

Z perspektywy studenta (jeżeli wyeliminować problemy z połączeniem) instrumentarium to wprowadza niezauważalne zmiany w porównaniu do warunków sali wykładowej z użyciem wizualizera. Student patrzy na to, co widziałby na ekranie w sali wykładowej – z nieco innej, ale chyba bardziej komfortowej perspektywy własnego monitora. Nie widzi co prawda prowadzącego – i w tym przypadku nawet nie ma możliwości zobaczenia go, gdyż wszystkie znane mi systemy telekonferencyjne (o wybranych poniżej), nawet jeżeli pozwalają na równoczesne z obrazem z kamery wbudowanej w laptop prezentującego udostępnienie jakiegoś zasobu (np. dokumentu czy okna aplikacji), to nigdy nie obsługują jednocześnie dwóch kamer jednego uczestnika. Nie sądzę jednak, żeby widok prezentera w takiej sytuacji był słuchaczowi do czegoś potrzebny.

W znacznie gorszej sytuacji jest wykładowca, któremu bardzo rychło zaczyna doskwierać brak „słuchających oczu”. Nawet jeżeli system pozwala na transmisję obrazu w systemie „każdy z każdym”, a wszyscy słuchacze mają wbudowane kamery i chcą je włączyć, to praktyka wskazuje, że obsługa większej liczby strumieni wideo pogarsza jakość całej transmisji i nie można pracować w takiej konfiguracji. Wykładowca, nie chcąc tracić sprzężenia zwrotnego ze strony słuchaczy, musi znaleźć inne metody. Te częściowo zależą od użytego systemu telekonferencyjnego, ale zanim przejdę do tych rozważań, krótko opiszę alternatywny zestaw domowy do wykładów (rys. 2.2b).

a)


b)


Rys. 2.2. Domowe stanowisko do zdalnego prowadzenia wykładu z użyciem wirtualnej tablicy w postaci: a) zewnętrznej kamery USB, b) tzw. tabletu graficznego (opis w tekście)

Nigdy nie byłem i nie stałem się bezwzględnym wrogiem slajdów; sam ich używam dla części wykładanych przedmiotów. W początku okresu pandemicznego przypadło mi prowadzić właśnie te, w których użycie przygotowanych rysunków, wzorów czy tabel jest uzasadnione zwykłą pragmatyką. Drugi semestr kursu układów elektronicznych obejmuje już bardziej złożone struktury, których w większości nie da się analizować w szybkim czasie elementarnymi rachunkami. Tradycyjnie tę część przedmiotu nazywamy między sobą „układami nieliniowymi” – treści przypisane temu modułowi mimo nazwy nie mieszczą się w międzynarodowym „podręcznikowym” rozumieniu tego hasła przedmiotowego (co zresztą stanowi problem przy rekomendowaniu studentom anglojęzycznym pojedynczego podręcznika). Poświęcony jest on częściowo tematyce zasilaczy, układów generacyjnych (rzadko obecnej w literaturze wprowadzającej), a w dużej części stanowi wprowadzenie do analogowych systemów komunikacyjnych z koncentracją na implementacji. Omawiane w ramach przedmiotu układy elektroniczne mają już często stopień złożoności, dla którego rysowanie de novo mogłoby być odbierane jako niepotrzebna strata czasu.

Dla pewnych przedmiotów slajdy są z kolei dla mnie zasadniczo konspektem wykładu, ale rozwinięcie niektórych treści (trudno jednak z góry przewidzieć których – to zależy od konkretnego audytorium) wymaga czasem wykonania dodatkowych szkiców czy przypomnienia wzorów. Zasadniczym środkiem jest wtedy zatem pokaz slajdów z odpowiednią narracją, ale tablica (lub co najmniej flipchart) jest pożądanym wyposażeniem. W warunkach normalności (ale nie tej „nowej”), prowadząc wykład w sali wykładowej, mógłbym szybko podejść do tablicy, bo przełączanie urządzeń współpracujących z projektorem – jeśli nie przypada akurat na przysługującą słuchaczom przerwę w natężeniu uwagi – byłoby niepotrzebnym jej rozproszeniem. Dobrym i często stosowanym (także w warunkach zajęć stacjonarnych) kompromisem dla dychotomii slajdy–tablica jest pokaz z użyciem „niepełnych” slajdów oraz ich uzupełnianie w trybie adnotacji odręcznych, co jest przewidziane jako funkcjonalność programu PowerPoint i jego odpowiedników. Używanie klasycznego wskaźnika (myszy) jest jednak wyzwaniem w przypadku akcji innych niż proste podświetlenie/podkreślenie tekstu czy wstawienie pojedynczych znaków. W konwencjonalnych warunkach wykładowca używa najczęściej komputera z ekranem dotykowym – ale to z reguły są droższe urządzenia. Rozwiązaniem dla instrumentarium domowego do pracy zdalnej jest użycie stosunkowo taniego urządzenia peryferyjnego o nieco mylącej nazwie handlowej „tablet graficzny”, choć jest to coś w rodzaju precyzyjnej myszy komputerowej na specjalnej podkładce i obsługiwanej jak przyrząd do pisania. Niewielkim (początkowym i przejściowym) utrudnieniem jest brak widoczności powstającego rysunku/tekstu pod końcówką rysika, ale jest to do opanowania po kwadransie ćwiczeń (w końcu jest to narzędzie dedykowane dla grafików i do znacznie bardziej złożonych kompozycji artystycznych). W testowanym przeze mnie wariancie urządzenia o bezbateryjnym piórku odkryłem możliwość „kalkowania” rysikiem (ale bez konieczności specjalnie silnego nacisku) przygotowanych wcześniej na zwykłym papierze (o zwykłej, a nie obniżonej gramaturze) „podkładów” – co może okazać się przydatne dla bardziej złożonych schematów czy dłuższych wzorów matematycznych.

Można też przygotować prezentację złożoną z samych pustych slajdów i używać drugiego z opisanych zestawów tak jak poprzedniego. Wtedy słuchacze dodatkowo mogą już widzieć prowadzącego na obrazie transmitowanym z kamery jego komputera. Notatek nie trzeba też skanować czy konwertować, żeby mieć slajdy w formie elektronicznej – wystarczy po zakończeniu pokazu zachować wprowadzane w jego czasie adnotacje odręczne.

2.6. Systemy telekonferencyjne

Postanowienie o uruchomieniu zajęć prowadzonych zdalnie wiązało się w sposób nierozerwalny z koniecznością decyzji o wyborze platformy usług. Z perspektywy zaproponowanego przeze mnie instrumentarium wydaje się, że jest ono adaptowalne do większości używanych systemów. Każdy z nich przewiduje możliwość wysłania obrazu z kamery czy udostępniania wybranego zasobu z lokalnego komputera prowadzącego wirtualne spotkanie lub uprawnionego przez niego uczestnika. Funkcjonalność rozwiązania z kamerą jest oczywista dla każdego systemu wideokonferencyjnego, rysowanie piórkiem po tablecie wypróbowałem, robiąc adnotacje na slajdach PowerPointa oraz pisząc na wirtualnych tablicach w platformach/usługach ClickMeeting, MS Teams (z Microsoft Whiteboard, alternatywny Freehand firmy InVision wymaga kolejnej rejestracji, na co zaczynam mieć uczulenie) czy Cisco Webex.

Podczas wszystkich zajęć ze studentami przeprowadzonych w okresie od marca do czerwca 2020 roku używałem wyłącznie aplikacji Cisco Webex. Decyzja ta na początku nie wynikała z głębokiego namysłu czy szerokiego przeglądu. Pierwszym poznanym przeze mnie systemem do pracy zbiorowej online był ClickMeeting, z którym zapoznałem się na jednym ze szkoleń w CeL. Później sporadycznie używałem go do wirtualnych spotkań komitetów organizowanych przeze mnie konferencji. Moja inklinacja do znanego już rozwiązania była zatem naturalna, gdy przyszło rozważać narzędzie komunikacji ze studentami. Problem w tym, że zasoby udostępnione przez CeL, po prawdziwym szturmie wszystkich niemal prowadzących zajęcia na uczelni, okazały się zbyt szczupłe jak na rosnące z dnia na dzień potrzeby. System rezerwacyjny wirtualnych sal wykładowych przeżywał prawdziwe oblężenie, a mimo że administratorzy i konsultanci pracowali chyba na okrągło, coraz trudniejsze stawało się uzyskanie potwierdzenia przydziału. W jednym z postów na forum stworzonego ad hoc szkolenia dotyczącego przeprowadzania zajęć online stwierdzono: „Mamy za mało pokoi w naszym hotelu”. W pierwszym tygodniu alertu epidemicznego część zapowiedzianych studentom zajęć na platformie ClickMeeting nie odbyła się z przyczyn technicznych. Z kolei usługa MS Teams, choć kupiona przez moją uczelnię dla całej społeczność akademickiej w znacznie przyśpieszonej procedurze, stała się dostępna dopiero na początku kwietnia. O darmowym Zoomie pojawiły się niepokojące informacje dotyczące wycieku danych osobowych i luk w bezpieczeństwie, potwierdzone przez poważne publikatory [9].

Mój wydział, uczestnicząc jako koordynator w projekcie Małopolskiej Chmury Edukacyjnej, miał kilkuletnie doświadczenie we wdrażaniu narzędzi Cisco Webex i dobre o nich zdanie. Kierownictwo mojej katedry jeszcze w lutym 2020 roku (niemotywowane zatem – przynajmniej bezpośrednio – potrzebą szybkiego wdrażania rozwiązań dydaktyki online) wykupiło pakiet trzymiesięcznego dostępu testowego do tej usługi, pozwalający na korzystanie z dedykowanych zasobów grupie kilkudziesięciu użytkowników.

Bez systematycznej analizy porównawczej dostępnych narzędzi (będzie ona przedmiotem odrębnego rozdziału) podsumuję własności i cechy Webexa z punktu widzenia nauczyciela akademickiego. Jak sprawdziłem (prezentacja statystyk indywidualnego użytkownika jest jedną z wbudowanych funkcjonalności aplikacji), w okresie od połowy marca do końca czerwca 2020 roku przeprowadziłem 50 sesji online o łącznym czasie ponad 90 godzin lekcyjnych (4200 minut) przy największej liczbie 138 uczestników, moje obserwacje nie są więc incydentalne.

• Usługa Webex Meeting [10] może być uruchamiana w przeglądarce po dodaniu odpowiedniej wtyczki lub jako odrębna aplikacja. Do spotkania może dołączyć każdy znający adres pokoju i hasło (jeżeli jest ustawione). Nie jest konieczne posiadanie konta. Połączenie głosowe może być zrealizowane za pośrednictwem internetu, ale także przez telefoniczną sieć komórkową lub stacjonarną (połączenie bezpłatne, tzw. Toll-Free).

• Interfejs użytkownika jest dość intuicyjny. Pozwala włączać i wyłączać kamerę oraz mikrofon, udostępniać obraz pulpitu, okna uruchomionej aplikacji, pliki tekstowe i graficzne.

• Dobrze jest uprzednio zaplanować wydarzenie (choć nie jest to konieczne), szczególnie gdy chcemy użyć niestandardowych ustawień, np. uprawnień uczestników innych niż gospodarz (host).

• Gospodarz spotkania po rozpoczęciu może na bieżąco zmieniać uprawnienia uczestników, nawet jeżeli, planując wydarzenie, ustawiono inne.

• Uczestnik widzi listę pozostałych oraz może wymieniać z nimi krótkie wiadomości na czacie (możliwe są różne warianty – czat ogólny lub prywatny z konkretnym odbiorcą, konfigurowalne przez gospodarza). Zapis czatu może być zachowany w postaci pliku tekstowego (przydatne dla zajęć obowiązkowych jako lista obecności).

• Gospodarz może przekazać prawa prezentującego wybranemu uczestnikowi (przydatne na ćwiczeniach).

• Istnieje wbudowany system ankietowana (Polling). Może być użyty również do przeprowadzenia quizów wykładowych – w postaci odpowiedzi na pytania otwarte lub testów jedno- lub wielokrotnego wyboru. Trzeba wtedy wybrać opcję zapisu indywidualnych odpowiedzi uczestników.

• Aplikacja Webex Training [11] jest zaawansowaną wersją – występują aż trzy kategorie uprzywilejowanych uczestników (gospodarz/prezenter/panelista), rozbudowano w niej też moduł informacji zwrotnej dla prowadzącego (niezależnie od ankiet tekstowych) w postaci szybkich głosowań za pomocą przycisków tak/nie, prośby o szybszą/wolniejszą narrację. Dodano też możliwość śledzenia uwagi uczestników opartą na sprawdzeniu, czy nie zminimalizował on okna aplikacji lub nie otworzył innej karty przeglądarki. Oprócz tego przewidziano funkcję podziału całej grupy uczestników na odrębne zespoły, np. w celu przeprowadzenia w nich „burzy mózgów”. Jest to tryb sesji podzielonej (w terminologii aplikacji tzw. breakout session), którego zakończenie łączy te odseparowane od siebie zespoły z powrotem w jedno spotkanie wirtualne.

• Obie aplikacje pozwalają na zarejestrowanie odbytego spotkania na komputerze lokalnym lub w chmurze danych. Funkcję tę można ewentualnie zastrzec dla gospodarza wydarzenia.

2.7. Rola narzędzi symulacyjnych

Jedna z poważniejszych barier, na jakie napotyka student rozpoczynający kurs układów elektronicznych, sprowadza się do trudności z analizą zagadnień nieliniowych. Tylko najprostsze aplikacje wzmacniacza operacyjnego poddają się prostym technikom poznanym na kursach algebry i teorii obwodów. Metody te zresztą zawodzą już przy wspomnianym wcześniej komparatorze z histerezą. Przejście do analizy elementarnych bloków funkcjonalnych, nawet zawierających pojedynczy tranzystor bipolarny lub MOS, jest już zmianą jakościową. Samo wyliczenie punktu pracy z uwagi na nieliniowe zależności prądowo-napięciowe elementu jest trudniejsze – a dla tranzystora bipolarnego z uwagi na zależność eksponencjalną w ogóle niewykonalne w postaci analitycznej. Dla pokazania rozwiązania trzeba wykonać proste iteracje, żeby następnie wpoić studentom kilka łatwych nawyków i użycia metod przybliżonych. Z drugiej strony ilekroć zapoznaję studentów z koncepcją modelu małosygnałowego, dziwię się, jak słabo mają po zajęciach z analizy matematycznej i fizyki wyrobioną intuicję lokalnego aproksymowania samej funkcji jej pochodną.

 

Dziś praktycznie w każdej dziedzinie nauki i techniki dostępne są różne narzędzia symulacyjne wykorzystujące zaawansowany interfejs graficzny zmierzający coraz powszechniej w kierunku, który można nazwać rzeczywistością wirtualną. Na tym tle powstały na Uniwersytecie Berkeley pod koniec lat sześćdziesiątych ubiegłego wieku program SPICE (ang. Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis [12]), będący wciąż w powszechnym użyciu, może być uważany za „żywą skamieniałość”. Powstał bowiem w zupełnie innej rzeczywistości technicznej i na zupełnie innym poziomie rozwoju technik komputerowych – kiedy moc obliczeniowa dedykowanego centrum komputerowego ośrodka akademickiego była podobna do wydajności współczesnego smartfona. SPICE stworzono na skutek zapotrzebowania na efektywniejsze metody projektowania dla osiągających coraz większy stopień złożoności układów scalonych. Paradygmat tzw. breadbordingu – wstępnego projektu wykonanego metodami przybliżonymi i korekt po doświadczalnej weryfikacji prototypu – sprawdzony przez dekady epoki elementów dyskretnych nie znajdował zastosowania dla technologii scalonych, gdzie czas korekty związanej z przeprojektowywaniem masek i powtórzeniem kosztownego procesu technologicznego przestał być akceptowalny. SPICE na swój sposób jest prekursorem idei otwartego oprogramowania, gdyż od samego początku zespół jego twórców upublicznił kod źródłowy (napisany początkowo w FORTRAN-ie), zezwalając także na jego modyfikację – nawet w celu tworzenia pochodnych narzędzi komercyjnych. Przez lata program był rozwijany w wielu różnych ośrodkach i obecnie jest dostępny w rozmaitych wersjach, zarówno komercyjnych, jak i otwartych. Instutute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) w 2011 roku zaliczył SPICE do kamieni milowych rozwoju inżynierii elektrycznej i komputerowej.

Program ten, choć dedykowany pierwotnie wąskiemu gronu specjalistów (co ukryte jest nawet w rozwinięciu skrótu) projektujących układy scalone, dawno wyszedł z tej niszy, a wraz z upowszechnieniem się komputerów osobistych jest narzędziem używanym powszechnie przez szerokie grono hobbystów i studentów. Wielu producentów komercyjnych wersji oprogramowania proponuje bezpłatne wersje (tzw. Lite) o ograniczonych funkcjonalnościach – najczęściej stosuje się limit elementów lub węzłów analizowanego obwodu. Jedną z popularniejszych wersji jest PSpice, powstały w połowie lat osiemdziesiątych jako pierwsze przeniesienie produktu uniwersyteckiego na (zdobywającą wtedy coraz większą popularność, ale jeszcze przed ostatecznym zwycięstwem jako jeden ze standardów komputera osobistego) platformę IBM PC.

SPICE powszechnie jest włączany do programu wykształcenia elektroników. Bez jakiejkolwiek deprecjacji umiejętności stosowania przybliżonych metod obliczeniowych za pomocą ołówka i kartki papieru należy jednak uznać wagę symulacji dla budowania doświadczenia i intuicji. Hans Camenzid słusznie stwierdza: „Ważne jest dobre zrozumienie podstaw, ale obliczanie szczegółów każdego projektu jest stratą czasu. Niech ten przykry obowiązek spełnia symulator, zrobi to szybciej i lepiej niż człowiek” [13]. Osobną kwestią jest, czy z posługiwaniem się symulatorem student zapoznaje się w trakcie regularnego kursu układów elektronicznych, czy na odrębnym przedmiocie, oraz jaka jest relacja czasowa obu kursów w przypadku ich rozdzielenia. W moim środowisku, które może się poszczycić pierwszą wydaną w wydawnictwie o większym zasięgu niż oficyna uczelniana książką na temat programu SPICE [14], odrębność przedmiotu „symulacyjnego” ma długą tradycję, choć od lat jego wymiar godzinowy jest znacznie zredukowany i odpowiada mniej więcej sumarycznej liczbie 28 godzin. Ma więc charakter pomocniczy i zawsze tak go traktowałem – niezależnie od obsady personalnej prowadzących i układu czasowego. Oczywiście znacznie łatwiej przeplatać treści kształcenia i sprawić, aby wzajemnie się objaśniały i uzupełniały, gdy przedmioty biegną równolegle. Tak było w ubiegłym roku dla kursu angielskojęzycznego (semestr zimowy w całości w formie konwencjonalnej). Studenci odbywający zajęcia w języku polskim przechodzili ten kurs z jednosemestralnym opóźnieniem, w semestrze letnim, lecz przed lockdownem zdążyliśmy odbyć dwa z zaplanowanych ośmiu wykładów oraz jedne zajęcia w laboratorium komputerowym.

Przejście na formę online wykładów i laboratorium komputerowego nie stanowiło – przynajmniej ze strony prowadzących – dużych wyzwań. Podczas wykładu używam prostych slajdów ze śladową zawartością nieskomplikowanych animacji tekstu. Uzupełnieniem i ilustracją są symulacje, które wykonuję „na żywo”, zazwyczaj „negocjując” ze słuchaczami nie tylko same wartości liczbowe elementów, lecz często nawet samą analizowaną strukturę. To jest do przekazania w formie telekonferencyjnej za pomocą samego tylko standardowo wyposażonego komputera. Praktycznie jedynym stresem wykładowcy była możliwość zerwania połączenia internetowego, przed czym starałem się zabezpieczyć, przygotowując na wszelki wypadek alternatywne połączenie za pomocą modemu LTE (uwidocznionego zresztą na obu rysunkach 2.2). Studenci mieli (niewielką, ale jednak) praktykę w posługiwaniu się oprogramowaniem nabytą podczas pierwszych zajęć. Problemem okazało się ujednolicenie wersji używanych indywidualnie przez studentów.

Współczesne wersje symulatora SPICE kuszą atrakcyjnym interfejsem graficznym. Ja zawsze stawiam przede wszystkim na zapoznanie studentów z historycznym interfejsem tekstowym i syntaktyką komend i dyrektyw zasadniczego „silnika” (ang. simulation engine) każdego bez wyjątku wariantu tego programu. Może się to wydawać nieco anachroniczne i, jak zauważam, zawsze na początku spotyka się z pewnym oporem studentów, ale poziom tekstowy jest łatwiejszy i szybszy do opanowania niż „klikologia” narzędzi do graficznego wprowadzania schematów, które w dodatku jest inne dla każdego wariantu. Umiejętność posługiwania się tzw. netlistą (tak z angielska nazywa się plik tekstowy generowany zawierający zapisaną w specjalnej konwencji topologię analizowanego układu oraz dyrektywy modeli) studenci szybko doceniają, gdy przychodzi wykonać mniej standardowe obliczenia lub zrobić jakieś „sztuczki” w przeprowadzanych analizach. Drugorzędna w tym aspekcie biegłość posługiwania się edytorem schematów i tak przychodzi po dłuższej praktyce, po tym, jak student – poznawszy istotę możliwości samego symulatora – świadomie wybierze najbardziej opowiadające mu środowisko graficzne.

Po przejściu do formy online wyszła jeszcze jedna przewaga wybranego trybu użytkowania. W laboratorium wszystkie komputery są identyczne pod względem sprzętowym i tak samo oprogramowane, ale trudno oczekiwać podobnej jednorodności w przypadku grupy studentów pracujących online z domu. Co więcej, zgłaszali oni problemy nie do pokonania z instalacją otrzymanego od krajowego dystrybutora najnowszego pakietu – sam symulator PSpice jest zaledwie małą częścią, ale z nią zdążyli się już zapoznać. Wobec niemożliwości wsparcia bezpośredniego ostatecznie część studentów używała udostępnionej od lat na stronie kursu wersji 9.1 w tak zwanym wariancie przenośnym (ang. portable – niewymagającym instalowania). Jest to co prawda wersja datowana na ubiegły wiek (rok 1999 – jeszcze przed przejęciem marki OrCAD przez firmę Cadence), lecz uruchamia się bezproblemowo w najnowszych architekturach. Rekomendują ją Tietze i Schenk jako wciąż odpowiednią i udostępniają (co prawda w wersji instalowalnej) na stronie internetowej poświęconej najnowszemu (2019) wydaniu swojej wielokrotnie wznawianej książki Halbleiter-Schaltungstechnik [15]. Podobną opinię wyrażają Sedra i Smith – autorzy popularnego podręcznika Microelectronic Circuits (najnowsza edycja 2019). Na stronach wydawnictwa udostępniają zresztą przykłady symulacji w postaci archiwum netlist [16]. Część studentów wolała używać mniej rozbudowanej (ale niemającej żadnych ograniczeń w wielkości analizowanego obwodu oraz zastrzeżenia użytku niekomercyjnego) wersji LTspice, udostępnianej przez Analog Devices (pierwotnie Linear Technology). Jest to też jedna z niewielu implementacji SPICE dostępnych na platformę macOS i choć zasadniczo przewiduje pracę z edytorem schematów (używającym jednak całkowicie odmiennego formatu plików), zawiera także wygodny interfejs użytkownika do pracy z plikiem tekstowym.