E-learning na uczelniach. Koncepcje, organizacja, wdrażanie

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

Jedyne, co musiałem zrobić wobec stosowania przez studentów różnych wariantów programu, to niewielkie zwiększenie tolerancji liczbowej we wzorcach prawidłowych odpowiedziach do zadań podczas testu podsumowującego.

Tegoroczne ćwiczenia z symulacji były z pewnością bardziej pracochłonne dla studentów. W normalnych warunkach nie wymagam obszernych sprawozdań z każdych zajęć, wychodząc z założenia, że nadzór prowadzącego zajęcia jest wystarczającym gwarantem rzetelnej pracy w czasie spędzonym w laboratorium. Zadania domowe w formie pisemnej zazwyczaj były przewidziane jako fakultatywne dla mających ambicję zdobycia wyższej oceny z zaliczenia. Ale już na początku kwietnia zostałem, jak wszyscy nauczyciele, formalnie zobowiązany przez władze uczelni do weryfikacji efektów uczenia się w ramach zajęć zdalnych [17]. Naturalną konsekwencją stała się wymagalność sprawozdań z pracy wykonanej w czasie każdej z sesji ćwiczeń, co nie pozostało bez wpływu na obciążenie poprawą tych sprawozdań przez prowadzących (w tym i mnie). Z drugiej strony w roku 2020 – inaczej niż w latach poprzednich – test końcowy wykonany na platformie Moodle wypadł wyjątkowo dobrze. Wypada mieć nadzieję, że jest to wpływ wzmocnienia procesów poznawczych przewidziany przez piramidę Doyle’a i związany z wymuszoną intensyfikacją zapisu obserwacji i własnych doświadczeń (jak zdążyłem zauważyć notowanie na zajęciach z symulacji nie było wcześniej specjalnie powszechne, ale być może moja obserwacja dotyczyła tylko notatek odręcznych).

2.8. Sprzętowe laboratorium na odległość

Największym wyzwaniem dla technik nauczania na odległość są oczywiście zajęcia laboratoryjne polegające na wykonaniu eksperymentów w rzeczywistych układach, a nie ich modelach komputerowych. Żadna symulacja nie może zastąpić prawdziwego eksperymentu, gdyż prawidłowo przewiduje zachowanie nie samego obiektu fizycznego, lecz tylko jego modelu, którego istotą jest pominięcie przynajmniej niektórych cech i zjawisk występujących w obiekcie. Część ćwiczeń przeprowadzanych na zajęciach symulacyjnych od dawna intencjonalnie była przewidziana jako swoiste powtórzenie scenariusza pomiarów dokonanych uprzednio przez studenta w rzeczywistym laboratorium. W takiej chronologii chodzi przede wszystkim o konfrontację zapamiętanego doświadczenia z uproszczonym modelem.

W kończącym się właśnie roku akademickim studenci drugiego roku mieli za sobą doświadczenia nabyte podczas zajęć laboratoryjnych odbytych w semestrze zimowym. Takie „warunki początkowe” dały możliwość namiastki laboratorium zastąpionego zajęciami projektowymi – przeprowadzeniu obliczeń analitycznych i symulacyjnych dla nowo poznawanych układów i aplikacji lub opisie proponowanej procedury pomiarowej w oparciu o poznany już wcześniej sprzęt dostępny w laboratorium.

Wobec przedłużającego się okresu dydaktyki online dla nowego rocznika studentów trzeba wynaleźć zastępczą metodę zajęć praktycznych. Pierwsze ćwiczenia zwykle wykonywane były z użyciem zestawów pomiarowych o nazwie ELVIS II, produkowanych przez National Instruments. Na wyposażeniu naszych laboratoriów studenckich jest kilkanaście takich urządzeń (rys. 2.3a). ELVIS II w połączeniu z odpowiednio oprogramowanym komputerem staje się uniwersalnym systemem pomiarowym pozwalającym mierzyć prądy/napięcia stałe i przemienne oraz wizualizować oscylogramy lub charakterystyki częstotliwościowe prototypowanego na płytce stykowej układu. Ponieważ wspomniany sprzęt obsługiwany jest przez sterowniki napisane w środowisku LabVIEW, zasadniczo kontrolę nad nim może przejąć użytkownik zewnętrzny komunikujący się z komputerem w laboratorium za pomocą usług sieciowych i dedykowanych aplikacji. Idea ta nie wyszła nigdy poza poziom studium wykonalności [18], ale nawet gdyby została wdrożona, i tak nie była planowana jako masowa – brak w niej bowiem elementu samodzielnego przygotowania struktury analizowanego układu. Przewidziano ją jako ewentualną formę zastępczą dla studentów z ograniczeniami ruchowymi.

Pomysłem na skalę powszechną przewidzianą do wdrożenia w semestrze letnim 2020/2021 jest połączenie krótkiego spotkania wprowadzającego w małych grupach i z zachowaniem zalecanych przez GIS reżimów sanitarnych, a następnie wypożyczanie studentom zestawu zawierającego płytkę prototypową z modułem zasilaczy oraz kompletu elementów (lub – dla bardziej zaawansowanych tematów ćwiczeń – modułów/bloków przystosowanych do łatwego łączenia z płytką stykową). Dzięki ofiarnej pracy zespołu techników ponad 50 takich zestawów jest już gotowe. Po uzupełnieniu o uniwersalną kartę pomiarową (de facto zawierającą wielokanałowy oscyloskop, programowany generator i kilka innych przyrządów) połączoną ze studenckim komputerem pozwolą na stworzenie całkiem niewirtualnego domowego laboratorium elektroniki (rys. 2.3b).

2.9. Ukryty potencjał – wideodydaktyka

Sposób dokumentowania efektów uczenia się studentów w indywidualnym domowym laboratorium zorganizowanym przy pomocy uczelni będzie oczywiście wymagał dopracowania formalnych reguł. Nie ulega wątpliwości, że narzędzia i mechanizmy Moodle znajdą szerokie zastosowanie. Na pewno będzie niezbędne stworzenie w ramach kursu stosownych forów wsparcia technicznego z działem często zadawanych pytań – ale choć to zagadnienie ważne, z punktu widzenia efektów kształcenia jest jednak marginalne.

Poza tradycyjną dokumentacją, taką jak sprawozdania i raporty pomiarowe (tyle że redagowane w formie elektronicznej, co i tak jest od lat powszechną praktyką, nawet jeżeli prowadzący wymaga potem formy „papierowej”), dostrzegam potencjał dla wideodydaktyki [19]. Jest to stosunkowo młoda metoda (jej powstanie jest wynikiem rozwoju technologicznego), polegająca na maksymalizacji zaangażowania studenta – z odbiorcy wiedzy staje się twórcą. Mam skromne doświadczenie w tej materii – dwóm ostatnim rocznikom kursu symulacji prowadzonym w języku angielskim zaproponowałem formę zajęć projektowych polegającą na przygotowaniu krótkiego filmu edukacyjnego. Postawiłem jedyny wymóg: film ma albo dotyczyć symulatora układów innego niż studenci poznali na zajęciach, albo pokazywać symulację układu o znacznie większym stopniu skomplikowania niż analizowane podczas ćwiczeń. Na ostatnich zajęciach wszyscy studenci zbierali się, żeby wspólnie obejrzeć efekty swojej pracy. Poza moją oceną wprowadziłem też „nagrodę publiczności”. W archiwum mam już 18 filmów i żałuję, że nie dość zdecydowanie zachęcałem przynajmniej części autorów do zgłoszenia się na IEEE SSCS International Student Circuits Video Contest 2019/2020 w lutym 2020 roku. Nie wiem, czy zajęliby „medalowe” miejsca w rankingu, ale po przeglądnięciu dedykowanego konkursowi kanału SSCS (Solid State Circuits Society) w serwisie YouTube absolutnie bym tego nie wykluczył. Teraz, w dobie pandemii, konkurencja w kolejnej edycji wydarzenia będzie zapewne dużo większa, ale nie mam wątpliwości, że wideodydaktykę należy propagować oraz rozszerzać na laboratorium „sprzętowe”. Mimo że w tej metodzie dydaktycznej zasadniczo proces tworzenia jest ważniejszy niż produkt końcowy, na pewno można w ten sposób wzbogacić bazę prezentacji na potrzeby wykładu. Tworzenie zasobów edukacyjnych przez studentów – i dla studentów stanowi przecież bardzo piękne nawiązanie do słynnego powiedzenia Lincolna, a w mojej katedrze ma już ugruntowaną tradycję w laboratoriach dydaktycznych dla przedmiotów specjalistycznych.

a)


b)


Rys. 2.3. Standardowe wyposażenie stacjonarnego laboratorium studenckiego z systemem Elvis II (a); wypożyczalny zestaw dla studentów pozwalający na stworzenie prostego laboratorium osobistego (b)

„Gwiazdą przewodnią” napisanej w połowie XVII wieku przez Komeniusza Wielkiej Dydaktyki było „badanie i znalezienie sposobu, który by pozwalał, ażeby nauczyciele mniej nauczali, a uczniowie więcej się uczyli, ażeby w szkołach było mniej hałasu” [20]. Stan epidemii ogłoszony w związku z zagrożeniem wirusem SARS-CoV-2 odegrał w środowisku akademickim rolę szybkiego katalizatora tych procesów. Nauczyciele akademiccy chyba rzeczywiście nauczali mniej – choć obiektywnie w zdecydowanej większości przypadków poświęcając więcej czasu na przygotowanie zajęć online (jedna z wypowiedzi zamieszczonych we wrześniowej edycji newslettera CeL, pochodząca z ankiety: „Czas poświęcony na e-zajęcia w pierwszym roku to czas normalny × 5”) i znacznie bardziej wyczerpując energię, zarówno fizyczną, jak i emocjonalną. Studenci pojęli, że sami ponoszą większą od nauczycieli odpowiedzialność za własne efekty kształcenia. Niech te dwie rzeczy się utrwalą, a (niewielki!) hałas na korytarzach uczelnianych budynków większość społeczności akademickiej zapewne zniesie, bo niektórzy zaczynają za nim powoli tęsknić.

Bibliografia

[1] Zarządzenie nr 13/2020 Rektora Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie z dnia 11 marca 2020 roku w sprawie przeciwdziałania rozprzestrzenianiu się SARS-CoV-2 wśród członków społeczności AGH.

[2] Zarządzenie nr 17/2020 Rektora Akademii Górniczo-Hutniczej m. Stanisława Staszica w Krakowie z dnia 25 marca 2020 roku w sprawie nadzwyczajnego stanu działalności Uczelni do 10 kwietnia.

[3] Maloberti F., Understanding Microelectronics: A TopDown Approach, Wiley-Blackwell 2011.

[4] Platon Państwo (przekład W. Witwickiego), Wiedza, Warszawa 1948.

[5] Machowski W., Dziurdzia P., Kołodziej J., Stępień J., Kształcenie w zakresie podstaw elektroniki wspomagane technikami e-learningowymi, Konferencja e-Technologie w Kształceniu Inżynierów eTEE’2016 (III; 11.04.2016; Kraków, Polska), „Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej”, Gdańsk 2016, 48, 55–60.

 

[6] Millikan R.A., Autobiography, Prentice-Hall 1950.

[7] Gray P.E., Searle C.L., Electronic principles: Physics, models, and circuits, Wiley, 1969; tłumaczenie polskie: Podstawy elektroniki, PWN, Warszawa 1974.

[8] Razavi B., Fundamentals of Microelectronics, Wiley 2006, 2013 (wydanie drugie).

[9] Duszczyk M., Zoom z zakazem. Uczniowie nie mogą korzystać z aplikacji, https://cyfrowa.rp.pl/it/45861-zoom-z-zakazem-uczniowie-nie-moga-korzystac-z-aplikacji (dostęp 4.09.2020).

[10] WebEx Meeting Center User Guide, Cisco 2014.

[11] Cisco WebEx Training Center User Guide, Cisco 2012.

[12] Nagel L.W., Pederson D.O., SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), Memorandum No. ERL-M382, University of California, Berkeley 1973.

[13] Camenzind H.R., Designing Analog Chips, Book Surge Publishing 2005; tłumaczenie polskie: Projektowanie analogowych układów scalonych, Wydawnictwo BTC, Warszawa 2010.

[14] Porębski J., Korohoda P., SPICE: program analizy nieliniowej układów elektronicznych, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1992, 1996 (wydanie szóste).

[15] http://www.tietze-schenk.de/tsdown.htm (dostęp 4.09.2020).

[16] https://learninglink.oup.com/access/sedra8e-student-resources#tag_all-chapters (dostęp 4.09.2020).

[17] Zarządzenie nr 17/2019 Rektora Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie z dnia 15 maja 2019 roku w sprawie szczegółowych zasad prowadzenia zajęć w Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie z wykorzystaniem e-learningu.

[18] Kołodziej J., Machowski W., Stępień J., Dziurdzia P., Wirtualnie Laboratorium Systemów Elektronicznych, Studium wykonalności projektu POIG, AGH Kraków, Kraków 2013.

[19] Ciesielka M., Wideodydaktyka szansą na aktywizację studentów, „Edukacja–Technika–Informatyka” 2015, 3(13), 99–103.

[20] Komeński J.A., Wielka Dydaktyka, Zakład im. Ossolińskich, Wrocław 1956.

Część II Ćwiczenia laboratoryjne na odległość

3 Metodyka zdalnego prowadzenia ćwiczeń laboratoryjnych z obszaru automatyki

Adam Krzysztof Piłat

AGH Akademia Górniczo-Hutnicza

Celem prowadzenia zajęć laboratoryjnych z obszaru automatyki jest utrwalenie, zweryfikowanie i rozszerzenie wiedzy teoretycznej oraz wzbogacenie jej o własne doświadczenia wynikające z przeprowadzonych badań modelowych, symulacyjnych i eksperymentalnych. Nasz absolwent powinien mieć szerokie spojrzenie i umiejętności rozwiązywania różnych problemów, gdyż automatyka jest dziedziną służebną dla różnych badań naukowych i w funkcjonowaniu przedsiębiorstw [7], [18].

W zależności od roku studiów zajęcia laboratoryjne są realizowane w pracowniach automatyki o różnym sposobie zaawansowania w zakresie dostępnej aparatury pomiarowo-sterującej. Zajęcia symulacyjne odbywają się w laboratoriach komputerowych wyposażonych w stosowne oprogramowanie.

Wieloletnie doświadczenie pokazuje, że wiedza teoretyczna powinna być zilustrowana eksperymentalnie – najlepiej z wykorzystaniem obiektów rzeczywistych lub ich modeli w skali laboratoryjnej. W ostateczności można się posiłkować badaniami symulacyjnymi. Jednak w tym przypadku model powinien jak najwierniej odzwierciedlać zjawiska występujące w obiekcie rzeczywistym i otoczeniu oraz konfigurację układu pomiarowo-sterującego.

Niniejszy rozdział opracowałem na podstawie własnych doświadczeń, a w szczególności nauczania studentów kierunku Automatyka i Robotyka w ramach zajęć: Laboratorium problemowe i Modelowanie i symulacja układów cyber-fizycznych (ang. Modelling and Simulation in Cyber-Physical Systems), przeznaczonych dla studiów II stopnia zrealizowanych w semestrze letnim w roku akademickim 2019/2020.

W mojej praktyce dydaktycznej stosuję metodę nauki przez eksperyment, a wiedza i doświadczenie studenta są nabywane w obcowaniu z obiektem rzeczywistym. Uważam, że osobiste przepracowanie danego zagadnienia wraz z realizacją badań symulacyjnych i eksperymentalnych pozwala uczącemu się przyswoić i ugruntować wiedzę. Ponadto wprowadziłem metodę studium przypadku, która sprawdza się wyśmienicie podczas laboratoriów prowadzonych w trybie zajęć symulacyjnych i eksperymentalnych.

Jako nauczyciele akademiccy powinniśmy dysponować stosownym warsztatem metodyczno-pedagogicznym, który jest wyposażony w najnowsze i najlepsze rozwiązania sprzętowe i programowe. Więcej, powinniśmy zaoferować studentom umiejętności posługiwania się nimi w celu ich odpowiedniego zastosowania do rozwiązywania problemów.

Automatyka jest dziedziną interdyscyplinarną i w związku z tym wymagającą od studentów wszechstronnego wykształcenia w wielu obszarach, między innymi: matematyki, fizyki, elektrotechniki, elektroniki, informatyki, mechaniki. Projektowanie sterowania wymaga zrozumienia obiektu, który będzie podlegał sterowaniu [6], [9], [15]. Tym samym konieczne jest przeprowadzenie analizy zjawisk fizycznych w nim występujących [2], [11]. Na tej podstawie budowany jest model matematyczny, który stanowi podstawę badań i syntezy układu automatycznej regulacji [1], [12], [13], wykonywany w reżimie czasu rzeczywistego [8], [10], [16], [17].

W przypadku zajęć laboratoryjnych, w których studenci wykorzystują rzeczywiste procesy lub modele badawcze je reprezentujące, zagadnienie modelowania jest ściśle powiązane z obserwacją i identyfikacją. Rzeczywiste sygnały rejestrowane z czujników i elementów wykonawczych wskutek działania określonych akcji sterujących projektowanych przez studenta stanowią ogromne źródło wiedzy o danym obiekcie. Kolejno opracowywany jest model matematyczny, a jego parametry pozyskuje się na podstawie pomiarów i optymalizacji parametrycznej wykorzystującej zarchiwizowane dane z badań identyfikacyjnych. Stopniowo analizowane są między innymi stabilność, sterowalność, obserwowalność. Ocena zbieżności modelu z obiektem rzeczywistym i uzyskanie satysfakcjonujących rezultatów stanowią podstawę realizacji zadania syntezy regulatora dla sformułowanego zadania automatyki. Ostatecznie bada się jakość regulacji zarówno w wariancie symulacyjnym, jak i eksperymentalnym, stosując sformułowane wskaźniki jakości. Zazwyczaj projektuje się i bada kilka typów regulatorów i stosując sformułowane kryteria, dokonuje ich analizy porównawczej. Finalnie dąży się do uzyskania modelu symulacyjnego i/lub modelu funkcjonalnego sterowanego w czasie rzeczywistym, aby potwierdzić umiejętności analizy, projektowania i badania układu automatycznej regulacji.

3.1. Metodyka prowadzenia laboratorium problemowego bazującego na ćwiczeniach eksperymentalnych

W roku akademickim 2019/2020 pandemia zaskoczyła wszystkich. Osobiście zdołałem przeprowadzić 3 laboratoria, podczas których młodzież zapoznała się z wybranymi urządzeniami laboratoryjnymi. Do akwizycji danych i sterowania wykorzystywane są karty RT-DAC (rys. 3.1h) oraz pakiet MATLAB/Simulink z rozszerzeniem do sterowania w czasie rzeczywistym. Zorganizowani w grupach dwuosobowych studenci pracowali przy modelach laboratoryjnych wahadła na wózku (ang. Pendulum on the Cart, rys. 3.1a), helikoptera (ang. Twin Rotor Mimo System, rys. 3.1b), wahadła reakcyjnego (ang. Reaction Pendulum, rys. 3.1c), lewitacji magnetycznej (ang. Magnetic Levitation System, rys. 3.1d), suwnicy (ang. 3D Crane, rys. 3.1e), zbiorników (ang. Tank System, rys. 3.1f), serwomechanizmu (ang. Servo, rys. 3.1h) [3].


Rys. 3.1.

Zasoby Katedry Automatyki i Robotyki AGH wykorzystywane do nauczania automatyki, a w szczególności zagadnień z obszarów: identyfikacji, modelowania, optymalizacji, syntezy regulatorów, sterowania w czasie rzeczywistym, oceny jakości (zdjęcia za zgodą Inteco sp. z o.o.)

Podczas pierwszych zajęć studenci zapoznają się z architekturą sprzętowo-programową stanowisk, obejmującą karty pomiarowo-sterujące działające na magistrali PCI, PCIe, USB oraz oprogramowanie MATLAB/Simulink wraz z niezbędnymi przybornikami. Kolejne zajęcia stanowią źródło danych pozyskiwanych podczas pierwszych badań eksperymentalnych realizowanych w układzie otwartym automatyki przy lub braku obecności sygnału sterującego. Na tym etapie studenci po raz pierwszy wykazują się kreatywnością. Celem pracy jest bowiem poznanie obiektu, pozyskanie stosownych charakterystyk statycznych i dynamicznych. Ten etap musi być zrealizowany w wykorzystaniem rzeczywistego obiektu i to najlepiej osobiście przez studentów.

Odejście od schematu gotowej instrukcji z przebiegiem zajęć krok po kroku, przygotowanymi tabelkami na wyniki i miejscami na wykresy skutkuje znacznie większą inicjatywą i kreatywnością ze strony uczących się. Wyjście poza utarte schematy zajęć, formularzy powoduje, że uczący się stają się odpowiedzialni za realizację zadań i rozwiązanie (z różnym skutkiem) postawionych im problemów.

Zajęcia z Laboratorium problemowego w przydziale 28 godzin na semestr prowadzę w blokach 3-godzinnych ze względu na specyfikę przedmiotu. Tematykę dzielę następująco: organizacja zajęć, demonstracja systemów laboratoryjnych, omówienie zagadnień do realizacji, przypisanie zespołu do danego systemu (1 godz.), zajęcia laboratoryjne (8 spotkań – 24 godz.), prezentacja końcowa z dyskusją (3 godz.).

W ramach zajęć z laboratorium problemowego każda z grup ma zrealizować następujące zadania: przeprowadzić identyfikację obiektu, opracować nieliniowy model matematyczny, opracować model symulacyjny, sprawdzić zbieżność modelu z obiektem, dokonać linearyzacji, zaprojektować regulator (w wersji ciągłej i dyskretnej w czasie) dla systemu zlinearyzowanego, przeprowadzić badania symulacyjne, ocenić jakość regulacji, stosując co najmniej 3 wskaźniki jakości, uruchomić ten sam regulator na obiekcie rzeczywistym, dokonać oceny zbieżności wyników badań eksperymentalnych i symulacyjnych, przeprowadzić badania eksperymentalne, stawiając różne zadania regulacji, ocenić jakość regulacji (rys. 3.2) [9], [11], [14], [16].


Rys. 3.2. Metodyka przebiegu zajęć Laboratorium problemowego (opracowanie własne)

W ramach tych zajęć wykorzystuję platformę UPeL (jest to Uczelniana Platforma e-Learningowa dostępna pod adresem upel.agh.edu.pl) do przesyłania sprawozdań cząstkowych, które każda z grup jest zobligowana wykonać przed następnymi zajęciami. Sprawozdanie cząstkowe stanowi dokumentacja przeprowadzonych prac, przemyślenia i wnioski wynikające z analizy problemu, danych itp. Takie sprawozdanie jest podstawą do dyskusji podczas kolejnych zajęć. W ten sposób uzyskałem systematyczność w realizacji harmonogramu oraz skuteczne dokumentowanie wyników prac i przemyśleń. Ostatecznie na koniec zajęć studenci przygotowują zbiorcze opracowanie, które stanowi kompilację sprawozdań cząstkowych, uzupełnionych i rozszerzonych po omówieniu sprawozdań cząstkowych. Finalnie każda z grup przygotowuje prezentację w celu przedstawienia wszystkim zespołom swojej pracy. Na ostatnich zajęciach studenci prezentują osiągnięcia, po czym przeprowadzana jest dyskusja. Jest to bardzo ubogacające rozwiązanie, ponieważ wszyscy uczestnicy prezentują zagadnienia oraz mają możliwość zapoznania się z innymi. Więcej, po prezentacjach następuje samoocena zespołu oraz ocenianie zbiorowe. W ten sposób studenci ćwiczą samokrytycyzm, samoocenę, porównują swoje osiągnięcia z rezultatami innych grup. Ponadto system wahadła na wózku jest zazwyczaj realizowany przez dwie grupy, co dodatkowo wzmacnia rywalizację, ale i wymianę doświadczeń, a w ostatecznej prezentacji pozwala na porównanie prac obu zespołów.

Pandemia przerwała proces dydaktyczny 11 marca 2020 roku, a więc zaraz po zrealizowaniu trzeciego spotkania. Szczęśliwie studenci byli już zapoznani z systemami i wykonali badania eksperymentalne, dzięki którym pozyskali rzeczywiste wartości sygnałów. Ponieważ nie było wiadomo, czy wrócimy do sali laboratoryjnej, postanowiłem kontynuować zajęcia bez zbędnej zwłoki. W związku z zaistniałą sytuacją zademonstrowałem model wahadła na wózku wyposażony w człony emulujące próbkowanie, kwantyzację, szumy pomiarowe (rys. 3.3). Taki model, zawierający równania dynamiki wahadła na wózku, doposażony w model tarcia wózka o szynę, model tarcia w łożysku obrotowym oraz emulację układu pomiarowo-sterującego, stanowi dość dobre odzwierciedlenie modelu rzeczywistego.

 

Rys. 3.3. Schemat ideowy modelu emulującego rzeczywistą konfigurację układu pomiarowo-sterującego z rekonfiguracją komponentów

Mając taki model, który cechuje dobra zbieżność z modelem rzeczywistym, można prowadzić syntezę regulatorów oraz badania symulacyjne w różnych scenariuszach testowych. Oczywiście nie zmienia to faktu, że nie można przeprowadzić eksperymentu na obiekcie rzeczywistym, czyli utwierdzić się w tym, że opracowany model, a w konsekwencji regulator działają poprawnie.

Zainicjowałem więc rozszerzenie modeli o aspekty pomiarowo-sterujące, modelowanie szumu pomiarowego, dynamikę układów wykonawczych, opóźnienia występujące w układzie, aby uzyskać emulację układu rzeczywistego. Celem było uzyskanie modeli dynamicznych systemów laboratoryjnych, z którymi studenci mają do czynienia, realizując prace eksperymentalne w celu jak najwierniejszego symulowania układu rzeczywistego. Zastosowanie bloków konfigurujących poszczególne fragmenty torów pomiarowo-sterujących w celu ich włączania w tor przetwarzanych sygnałów pozwoliło dodatkowo rozszerzyć analizę skutków konkretnej konfiguracji (np. zastosowanie przetwornika analogowo-cyfrowego o zdefiniowanej rozdzielczości bitowej). Z jednej strony studenci otrzymują pełną elastyczność w możliwościach emulowania działania komponentów pomiarowych, więcej – mogą testować ich różne konfiguracje, z drugiej tracą możliwość zapoznania się z działaniem rzeczywistego sprzętu.

Dalsze zajęcia laboratoryjne odbywały się zdalnie z wykorzystaniem platformy UPeL. Tam studenci mieli przygotowane miejsca na kolejne sprawozdania cząstkowe, które mieli przesłać do dnia poprzedzającego spotkanie laboratoryjne. Oprócz sprawozdań przesyłali modele, nad którymi pracowali. W ten sposób przed zajęciami mogłem się zapoznać z postępem prac, a w przypadku pytań i wątpliwości przeanalizować problem i udzielić konstruktywnej odpowiedzi.

W terminie cotygodniowych zajęć spotykałem się regularnie ze studentami w trybie online z wykorzystaniem narzędzia Virtual Class (ClickMeeting). Rozwiązanie to umożliwiało dyskusję bez większych zakłóceń. Co prawda wyłączaliśmy kamery ze względu na ograniczoną przepustowość łączy i pojawiające się echo oraz opóźnienia w transmisji. Najważniejsze jednak, że mogłem rozmawiać ze studentami i odpowiadać na ich pytania. Omówienie przesłanego sprawozdania, otrzymanych wyników, problemów, jakie napotkali sprawiało, że prace postępowały i były na bieżąco konsultowane.

Największym problemem był brak możliwości prowadzenia badań eksperymentalnych. W minionych latach na każdych zajęciach studenci przez 3 godziny lekcyjne pracowali z urządzeniami i mogli na bieżąco weryfikować koncepcje modelowania, sterowania, oceniać jakość regulacji obiektu rzeczywistego. Tym razem wykonywali to na swoich rozszerzonych modelach.

Mimo trudności i braku dostępu do badań eksperymentalnych plan zajęć został jednak zrealizowany z wykorzystaniem bardzo rozszerzonych modeli symulacyjnych. Oczywiście nie zastąpiły one obiektów rzeczywistych, jednak w stopniu wystarczającym pozwoliły studentom przeprowadzić badania zaprojektowanych regulatorów oraz wykonanie oceny ich działania. Tym samym proces syntezy, badania i oceny jakości działania regulatora został również zrealizowany.

Po zakończeniu zajęć przeprowadziłem ankietę wśród swoich 14 studentów. Analiza jej wyników prowadzi do następujących wniosków:

• brak obcowania z obiektem rzeczywistym, w tym brak możliwości sprawdzenia działania zaprojektowanego regulatora, był największą wadą prowadzenia zajęć w trybie zdalnym,

• zajęcia, które nie wymagają obecności w laboratorium, mogą, a nawet powinny odbywać się w trybie zdalnym,

• na uczelni powinny odbywać się tylko te zajęcia, dla których jest to konieczne,

• opracowane modele nie oddają całkowicie działania układu rzeczywistego,

• trzeba zagwarantować możliwość pracy z rzeczywistymi obiektami dostępnymi w laboratorium,

• wizualizacja obiektów rzeczywistych oraz pomiary obiektów rzeczywistych powinny być udostępnione w trybie online,

• należy zadbać o stabilne łącze internetowe,

• praca na rzeczywistym sprzęcie jest ważna i daje większą satysfakcję niż tylko symulacja, udostępnienie stanowiska do pracy studentom w trybie zdalnym jest jak zatem najbardziej pożądane,

• najlepiej, aby każdy student miał dostęp zdalny do swojego stanowiska podczas zajęć laboratoryjnych, jedno stanowisko z dostępem zdalnym dla kilku osób jest niewystarczające,

• studenci nie wiedzą, czy zaprojektowane przez nich regulatory faktycznie sprawdziłyby się na obiekcie rzeczywistym – pozostał niesmak.

Na podstawie tych wniosków można sformułować zalecenia w przypadku przyszłych pandemii lub zmiany sposobu funkcjonowania uczelni:

• skonfigurowanie zasobów laboratoryjnych tak, aby możliwy był do nich dostęp zdalny przez wysokiej przepustowości symetryczne łącze internetowe gwarantujące przesyłanie danych i obrazu w czasie rzeczywistym,

• zapewnienie dostępu do rzeczywistego obiektu każdemu studentowi w celu prowadzenia prac eksperymentalnych.

Aby zrealizować powyższe postulaty można zaproponować następujące rozwiązania:

• reorganizację stanowisk laboratoryjnych od strony sprzętowej i programowej, tak aby zapewnić permanentny dostęp (24 godz./dobę) do stanowisk laboratoryjnych, a także spełnienie wszelkich wymaganych przepisami zasad bezpieczeństwa użytkowania i przeciwpożarowych; zastosowanie narzędzi programistycznych do harmonogramowania dostępu do zasobów,

• reorganizację stanowisk, tak aby zapewnić dostęp do stanowisk laboratoryjnych w godzinach prowadzenia zajęć przez danego prowadzącego, który jest obecny w laboratorium i czuwa nad sprzętem oraz ma możliwość połączenia się z osobami wykonującymi prace eksperymentalne i prowadzenia z nimi dyskusji,

• wypożyczanie studentom mikrostanowisk laboratoryjnych z interfejsem komunikacyjnym przesyłającym zebrane dane eksperymentalne – wówczas każdy ze studentów pracuje indywidualnie na swoim stanowisku; zakup takich stanowisk powinien leżeć po stronie uczelni; aktualne narzędzia programistyczne pozwalają na zrealizowanie programu zajęć z wykorzystaniem mikroplatform edukacyjnych.

Przygotowując się do kolejnego semestru, opracowałem modyfikację systemu magnetycznej lewitacji do współpracy bez obecności użytkownika, przez zamknięcie lewitującej sfery w koszyku wykonanym w technologii druku 3D (rys. 3.4). Komputer sterujący może być dostępny dla studenta przez aplikację Remote Desktop systemu Windows, pozwalając mu na w pełni zdalne prowadzenie eksperymentów. Zastosowanie kamery umożliwi rejestrację przebiegu eksperymentu.


Rys. 3.4. System lewitacji magnetycznej przygotowany do zajęć bez obecności użytkownika (opracowanie własne)

3.2. Metodyka prowadzenia wykładu, laboratorium symulacji i projektu

Niniejszy podrozdział opisuje sposób realizacji zajęć z przedmiotu Modelling and Simulation in Cyber Physical Systems prowadzonego w języku angielskim dla specjalności Cyber Physical Systems realizowanej w Katedrze Automatyki i Robotyki AGH. Zajęcia te obejmują 28 godzin wykładu, 28 godzin laboratorium i 14 godzin projektu.


Rys. 3.5. Cel zajęć to poznanie metodyki opracowywania modeli i prowadzenia badań symulacyjnych systemów fizycznych współpracujących z otoczeniem

Na realizację tych zajęć zarezerwowałem blok 4 godzin lekcyjnych w celu zrealizowania cyklu wykładów omawiających zagadnienia teoretyczne i demonstrujących rozwiązania modelowe, symulacyjne i praktyczne realizacje. Pierwsze tygodnie są poświęcone wykładom, a dopiero po zrealizowaniu 75% materiału przechodzę do realizacji zajęć laboratoryjnych.

W pierwszym etapie realizuję intensywny kurs teoretyczny wprowadzający studentów w zagadnienia modelowania i symulacji systemów cyber-fizycznych: formułowanie opisu modeli dynamicznych od strony teoretycznej, skupienie się na jednostkach fizycznych i interpretacji parametrów, projektowanie sterowania ze zwróceniem szczególnej uwagi na aspekty fizyczne [2], [6], [15], realizacja modelu i sterowania z zastosowaniem modelu V [17], nauka nowoczesnych narzędzi do projektowania i analizy, jak przyborniki Simscape i Simscape Multibody pakietu MATLAB. Pozwala on realizację modeli wielodomenowych, w których łączą się prawa fizyki z dziedzin takich jak elektryczność, mechanika, termodynamika, magnetyzm itp. Co więcej, pakiet Simscape jest ściśle związany z modelowaniem fizycznym, w którym przepływ energii następuje w obu kierunkach.