E-learning na uczelniach. Koncepcje, organizacja, wdrażanie

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

Rys. 3.6. Wielodomenowe modelowanie z wykorzystaniem pakietu Simscape (za zgodą The MathWorks, Inc.)

I tym razem zajęcia rozpocząłem planowo, bez zbędnej zwłoki. Ponieważ zarezerwowałem blok 3-godzinny (4 godz. lekcyjne), to po pierwszych 3 tygodniach zrealizowałem już 42% materiału. Wybuch pandemii zmienił jedynie formę spotkania – zamiast w sali wykładowej spotkaliśmy się w przestrzeni internetu, korzystając z platformy UPeL i narzędzia ClickMeeting (Virtual Class). Zajęcia prowadziłem w godz. 8:00–11:00. Ku mojemu zaskoczeniu zawsze miałem prawie 100% frekwencji. Fakt ten trudno było zweryfikować w pierwszej fazie, ufałem, że zalogowani użytkownicy rzeczywiście są połączeni i pilnie słuchają. Na koniec zajęć zdecydowana większość żegnała się na czacie, dziękując za zajęcia. Sprawdzenie obecności byłoby możliwe wyłącznie przez włączenie kamery przez słuchaczy. Uznałem, że nie będę tracił czasu na kontrolowanie młodzieży – są bowiem dorośli i odpowiedzialni, a jeśli chcą się rozwinąć, to będą słuchać. Zadawanie pytań i analiza odpowiedzi udzielanych na czacie pokazała, że tylko część osób była aktywna (podobnie jak na wykładach prowadzonych w klasycznej formie). Co robili pozostali – to pytanie pozostawało otwarte. Podczas kolejnych zajęć stopniowo wprowadzałem elementy laboratorium, gdyż pojawiał się materiał, który już mogliśmy częściowo ćwiczyć. Tu zastosowałem metodę małych kroków. Miałem plan, jak poprowadzić studentów od problemów podstawowych do zaawansowanych. Na wstępie pokazałem, co można uzyskać, stosując określoną metodykę modelowania, a następnie krok po kroku wprowadzałem ich w tajniki realizacji modeli interdyscyplinarnych – takich, które łączą w sobie wiele domen fizycznych. Celem było uzyskanie, w wyniku odpowiedniego modelowania, kompletnego modelu reprezentującego zjawiska fizyczne występujące w rzeczywistym obiekcie. Na przykład zadania elementarne obejmowały modelowanie obwodów elektrycznych, w szczególności układu RL, modelowanie komponentów mechanicznych, w tym modelowanie układów z elementami sprężysto-tłumiącymi zarówno dla konfiguracji obrotowych, jak i translacyjnych oraz modelowanie zjawisk termodynamicznych. W dalszej kolejności wprowadziłem elementy interakcji. Podczas zajęć, po wytłumaczeniu określonego zagadnienia, zadawałem proste zadanie do realizacji w czasie od kilku do kilkunastu minut, a studenci przesyłali rozwiązania.

W przypadku zajęć laboratoryjnych realizowanych w formie zdalnej zauważyłem, jak ważne jest sprawdzenie, czy wszyscy studenci realizują zadania i robią to ze zrozumieniem. W przypadku zajęć stacjonarnych przejście przez salę, rzut oka na ekran komputera, krótkie pytanie do studenta daje komplet informacji. Od razu wiem, kto i jak pracuje, kto potrzebuje więcej czasu, komu trzeba wytłumaczyć, podpowiedzieć. W przypadku nauczania zdalnego jest to utrudnione. W celu sprawdzenia bieżących postępów zadawałem pytania, rozpoczynałem dyskusję – czat okazał się wystarczającym rozwiązaniem do udzielenia odpowiedzi i wymiany myśli. Aby pomóc bezpośrednio w wykonywaniu zadania, konieczne byłoby udostępnienie ekranu przez studenta czy używanie aplikacji pozwalającej na podgląd aktualnego stanu komputera studenta (po uzyskaniu jego zgody). Aby sprawdzić wykonanie zadań cząstkowych lub pomóc w rozwiązaniu problemów, studenci przesyłali za pomocą platformy UPeL pliki wykonanych modeli lub „zrzuty” ekranu lub okna z wizualizacją przebiegów.

Na platformie UPeL miałem przygotowany obszar do przesłania zrealizowanego modelu lub wyniku symulacji. W ten sposób sprawdziłem, kto faktycznie słucha i pracuje sumiennie, oraz w jakim czasie studenci realizują poszczególne zadania. Muszę wydać pozytywną opinię o pracy grupy. Jedynie kilka osób (losowo) miało opóźnienia czy zaniedbania, które musieli nadrobić po zakończeniu zajęć w celu uzyskania zaliczenia. Związane one były głównie z konfiguracją komputerów osobistych i różnicami w wersji oprogramowania. Obserwowałem duże zaangażowanie studentów, zwłaszcza gdy przykłady miały przełożenie na obiekty rzeczywiste.

Wyjście od podstaw matematycznych i fizycznych, równań Lagrange’a, opracowanie poszczególnych podzespołów mechanizmu/urządzenia, doprowadzenie do postaci modeli kompleksowych sprawiło, że studenci zostali wyposażeni w wiedzę i umiejętności pozwalające na projektowanie prostych i zaawansowanych rozwiązań technicznych na podstawie analizy złożonych modeli symulacyjnych. Co więcej, taki złożony funkcjonalny model symulacyjny stanowi podstawę do badania zaprojektowanego regulatora czy algorytmu sterowania [4], [5], [19]. Podczas zajęć studenci zostali zapoznani z realizacją warstwy sterowania bezpośredniego i nadrzędnego.

Uważam, że połączenie wykładu i laboratorium jest dobrym pomysłem. Szczególnie w przypadku laboratorium komputerowego jest to łatwe do zrealizowania, gdyż studenci mogą pracować zdalnie. Największym problemem jest zapewnienie jednakowej wersji narzędzi programowych wykorzystywanych podczas zajęć.


Rys. 3.7. Idea modeli wielodyscyplinarnych (opracowanie własne)

Integracja wykładu i laboratorium pozwala na bieżąco ćwiczyć przekazywaną wiedzę. Podkreślam jednak, że wymagane jest w pierwszej fazie poprowadzenie wyłącznie wykładów, aby przygotować gruntownie studentów do przedstawianych zagadnień i problemów. Przez cały semestr wykładu i zajęć laboratoryjnych studenci zostali przygotowani do realizacji tych zagadnień. Nowością było całościowe spojrzenie na problem, opracowanie modelu symulacyjnego, synteza regulatora i przeprowadzenie badań symulacyjnych. Celem była współpraca zespołowa, wymiana doświadczeń, wzajemne uzupełnianie kompetencji. Po rozpoczęciu zajęć poprosiłem studentów o wypełnienie ankiety, w której zwarłem pytania o ich umiejętności, zainteresowania i oczekiwania. Na podstawie otrzymanych odpowiedzi wiedziałem, czym młodzież się interesuje i jakie ma umiejętności. Na tej podstawie sformułowałem nowe zagadnienia projektowe do rozwiązania. W związku z epidemią nie mogłem bazować, jak w roku poprzednim, na zautomatyzowanym systemie produkcyjnym (HAS-200, ang. Highly Automated System firmy SMC), stanowiącym wyposażenie katedry. Podczas ubiegłorocznej edycji studenci zapoznali się z działaniem rzeczywistego systemu HAS, a następnie, podzieleni na zespoły, opracowali modele poszczególnych podzespołów, by ostatecznie dokonać ich wzajemnej integracji. Tym razem zdecydowałem, że z powodu braku dostępu do laboratorium zrealizuję nową formę projektu, wykorzystującą kreatywność i swobodę w projektowaniu i wymianie myśli. Tym samym pozwoliłem studentom na maksymalną swobodę w realizacji postawionych zadań. Zaproponowałem 6 tematów, do których podałem stosowne linki inspirujące oraz pozwalające na zorientowanie się w zagadnieniu. Ponadto byłem otwarty na propozycje ze strony studentów.

1. Walking robotic platform

https://uk.mathworks.com/help/physmod/sm/examples/humanoid_walker.html

https://uk.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/64237-running-robot-model-in-simscape

https://blogs.mathworks.com/racing-lounge/2019/12/20/walking-robot-modeling-and-simulation/

https://www.youtube.com/watch?v=qMx1nbi5lUs

https://www.researchgate.net/publication/262425502_Modeling_and_simulation_of_walking_robots_with_3_dof_legs

https://www.researchgate.net/publication/220687974_Modeling_and_Control_for_Efficient_Bipedal_Walking_Robots_-_A_Port-Based_Approach

2. Robotic hand with external sensing and gripping control

https://uk.mathworks.com/help/fuzzy/modeling-inverse-kinematics-in-a-robotic-arm.html

https://uk.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/61370-robot-arm-with-conveyor-belts

https://uk.mathworks.com/matlabcentral/answers/79931-simple-robotic-arm-in-matlab

https://uk.mathworks.com/help/ident/examples/modeling-an-industrial-robot-arm.html

3. Industrial robot (e.g. Fanuc M-10)

https://www.fanuc.eu/pl/pl/roboty/robot-strona-filtrowania/m-10-series/m-10ia-7l

https://grabcad.com/library/fanuc-m-10ia-series-robot

https://uk.mathworks.com/help/physmod/sm/examples/modeling-a-robot-using-step-files.html

 

https://uk.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/58255-robotic-arm-simulator

https://uk.mathworks.com/help/ident/examples/modeling-an-industrial-robot-arm.html

4. Double inverted pendulum

https://uk.mathworks.com/help/physmod/sm/examples/inverted-double-pendulum-on-a-sliding-cart.html

https://www.researchgate.net/publication/328973895_Estimation_And_Control_Of_A_Double-Inverted_Pendulum

https://www.researchgate.net/publication/301635580_Balancing_a_double_inverted_pendulum_using_optimal_control_and_Laguerre_functions

5. Kinetic Energy Recovery System

https://uk.mathworks.com/help/physmod/sps/examples/kinetic-energy-recovery-system.html

https://energyeducation.ca/encyclopedia/Kinetic_energy_recovery_system

http://large.stanford.edu/courses/2015/ph240/sarkar1

6. Flexible Bodies

https://uk.mathworks.com/company/newsletters/articles/modeling-flexible-bodies-in-simmechanics-and-simulink.html

https://www.researchgate.net/publication/253879971_Multibody_System_Simulation_with_SimMechanics

https://webthesis.biblio.polito.it/10813/1/tesi.pdf

https://www.asc-csa.gc.ca/eng/iss/canadarm2/data-sheet.asp

https://publications.polymtl.ca/2362/1/2016_VincentDubanchet.pdf

Studenci podjęli się realizacji 6 innowacyjnych zagadnień w ramach prac projektowych realizowanych w zespołach kilkuosobowych. Były to (rys. 3.8): podwójne wahadło odwrócone (a), robotyczna ręka (jako kontynuacja pracy inżynierskiej) (b), robot przemysłowy FANUC i10A (c), rakieta kosmiczna (d), kinetyczny zasobnik energii (e), dwunożna platforma krocząca (jako rozwinięcie pracy inżynierskiej) (f).


Rys. 3.8.

Wizualizacja zrealizowanych projektów – opracowanie własne na podstawie prac studenckich

Opracowane modele symulacyjne były w pełni funkcjonalne i realizowały postawione im cele. Na szczególną uwagę zasługuje fakt, że studenci potrafili sprawnie wymieniać się informacjami, dyskutować w trybie online, prowadzić notatki, dyskutować na czacie podczas realizacji projektu. W każdej z grup był wyłoniony lokalny lider, który czuwał nad harmonogramem i terminową realizacją pracy. Projekty były realizowane przy pomocy pakietu MATLAB/Simulink wersji 2020a, a współpraca zdalna odbywała się z wykorzystaniem MS Teams. Jako osoba prowadząca i organizator grup mogłem na bieżąco monitorować i uczestniczyć w pracach projektowych, konsultować je i wspierać studentów w rozwiązywaniu problemów. Ostatecznie każdy zespół miał przygotować sprawozdanie i prezentację. Te zaś były przedstawione podczas wspólnych zajęć w trybie zdalnym, tak że każdy z uczestników mógł się zapoznać z projektami zrealizowanymi przez inne zespoły, wziąć udział w dyskusji, a następnie dokonać oceny poszczególnych projektów i samooceny. W ten sposób studenci poszerzali wiedzę, mając pogląd na projekty o różnej tematyce. Z powodzeniem dokonali też krytycznej oceny swoich osiągnieć, składając propozycje ocen. Jako prowadzący miałem ogląd wszystkich projektów, współpracy zespołowej przez analizę podejmowanych i rejestrowanych działań na platformie MS Teams. Ostatecznie wystawiłem oceny na podstawie wykonanych prac podczas laboratoriów i projektów. Doceniłem studentów, którzy aktywnie uczestniczyli w wykładach i zajęciach laboratoryjnych.

Na koniec poprosiłem studentów o wypełnienie ankiety dotyczącej przedmiotu oraz nauczania w trybie zdalnym. Oto ciekawsze wypowiedzi studentów, mające moc opiniotwórczą: „sporym problemem podczas zdalnych zajęć jest to, że nie wszyscy mają dobry sprzęt i dobre połączenie, co bardzo negatywnie wpływa na ich pracę”; „bardzo dobrym pomysłem jest połączenie wykładu z laboratoriami”; „podążanie za prowadzącym podczas wykonywania ćwiczeń jest dla mnie wygodniejsze, gdy mogę spoglądać na ten sam ekran (lub ekran obok), zamiast na obraz z rzutnika na ścianie, jak to się odbywa w sali laboratoryjnej – pomaga to w skupieniu”; „wzrastające skomplikowanie wykonywanych modeli rozwijało stopniowo naszą wiedzę związaną z przedmiotem”; „korzystnie wypada sama możliwość uczestniczenia w zajęciach bez potrzeby jazdy do Krakowa, dzięki temu nie trzeba dojeżdżać i łatwiej pogodzić studia z pracą (na niepełny etat)”; „taka forma przygotowuje też do potencjalnych warunków pracy, gdzie obecnie często praca i komunikacja pracowników jest wykonywana zdalnie; prowadzący był do dyspozycji w trakcie zajęć więc można było rozwiązać problemy”; „dzięki zdalnej realizacji zajęć mogłem oszczędzić mnóstwo czasu na dojazdy na uczelnię, dodatkowo umożliwiało mi to płynne przełączanie się między zajęciami, pracą zawodową i obowiązkami domowymi”; „forma zajęć w żadnym aspekcie mi nie przeszkadzała; plusami są: brak konieczności dojazdu na uczelnię oraz to, że nie miałem trudności z widocznością prezentacji czy przykładu, który Profesor realizował na żywo”; „przyznam, że motywująco na mnie działał system, w którym trzeba było wrzucić na UPeL screeny zadań już w czasie zajęć”; „krótkie zadania w trakcie wykładu, z możliwością wysłania odpowiedzi, pobudzają do myślenia”; „uważam, że bilans zalet i wad wypada na korzyść zajęć online; oznacza to, że wolałbym ten typ od tradycyjnego studiowania z uczęszczaniem na zajęcia na uczelni; oczywiście nie dałoby się w ten sposób przeprowadzić zajęć wymagających eksperymentów rzeczywistych – a tych bardzo brakuje nawet w normalnym trybie nauczania”; „bardzo dobrze, że nie zdecydowano się na obowiązkowy udział wszystkich w telekonferencji z podłączonymi kamerami; myślę że jest to niepotrzebne i wszystkich stresuje”.

Podsumowując prowadzenie zajęć z przedmiotu Modelling and Simulation in Cyber Physical Systems, stwierdzam, że te zajęcia można w całości poprowadzić w trybie zdalnym, ponieważ dotyczą zagadnień modelowania. Ćwiczenia eksperymentalne odbywają się w kolejnym semestrze nauki, a celem moich zajęć było dobre przygotowanie studentów do modelowania obiektów rzeczywistych. Aby poprowadzić te zajęcia w trybie zdalnym, uważam za konieczne spełnienie następujących warunków:

• prowadzący oraz wszyscy studenci powinni mieć zapewnione stabilne symetryczne łącze internetowe,

• przepustowość łącza oraz serwer zarządzający aplikacją do prowadzenia zajęć online winny zapewnić stabilność połączenia i wymianę treści co najmniej głosowych; idealnie byłoby, gdyby również materiał wideo był dostępny, zarówno ze strony prowadzącego, jak i studentów,

• studenci powinni być wyposażeni w komputery osobiste spełniające wymagania do pracy z pakietem MATLAB/Simulink lub mieć możliwość zalogowania się i korzystania z wirtualnego laboratorium komputerowego (zadanie dla służb informatycznych); wersja oprogramowania powinna być ujednolicona dla wszystkich słuchaczy, w przypadku indywidualnych maszyn niezbędne jest zainstalowanie tej samej wersji oprogramowania,

• platformy do pracy zdalnej UPeL lub MS Teams powinny gwarantować stabilność połączenia podczas zajęć, pobierania i wgrywania plików, rozmów i czatu.

3.3. Podsumowanie

Na podstawie przeprowadzonych zajęć stwierdzam, że dzięki pandemii przyspieszyliśmy proces cyfryzacji procesu nauczania przez przygotowanie materiałów dydaktycznych w wersji elektronicznej. W moim przypadku było to jedynie rozszerzenie już opracowanych wykładów. Niezbędne okazało się skonfigurowanie platform zdalnego nauczania UPeL, MS Teams do realizacji poszczególnych zadań. Połączenie wykładu i zajęć laboratoryjnych okazało się dobrym pomysłem, dzięki czemu studenci brali czynny udział w zajęciach i przyswajali wiedzę na bieżąco. Wykorzystanie modelowania wielodomenowego przyczyniło się do lepszego zrozumienia i opisu działania obiektów rzeczywistych.

Dlaczego nie nagrywałem zajęć? Ponieważ nie są schematyczne, a wręcz dynamiczne. Pewna część materiału oczywiście mogłaby być zrealizowana w postaci nagrań wideo do odtworzenia przez studentów. Jednak w zależności od stopnia zaawansowania grupy, zainteresowań oraz szybkości przyswajania wiedzy dostosowuję tempo przekazywania informacji.

Uważam, że wkroczyliśmy w nowy etap nauczania i służby informatyczne i techniczne powinny zapewnić dydaktykom możliwość prowadzenia wykładów, laboratoriów komputerowych, ale przede wszystkim laboratoriów eksperymentalnych w konfiguracji z dostępem zdalnym [20]. Ufam, że w ten sposób oferta uczelni stanie się dostępna dla szerszego kręgu odbiorców krajowych i międzynarodowych.

Bibliografia

[1] Grega W., Piłat A., Comparison of linear control methods for an AMB system, „International Journal of Applied Mathematics and Computer Science” 2005, t. 15, z. 2, s. 245.

[2] Grega W., Pilat A., Tutaj A., Modelling of the glass melting process for real-time implementation, „International Journal of Modeling and Optimization” 2015, t. 5, z. 6, s. 366.

[3] Kołek K., Turnau A., Hajduk K., Piątek P., Pauluk M., Marchewka D., Piłat A., Rosół M., Gorczyca P., Laboratory real-time systems to facilitate automatic control education and research, IEEE, Proceedings of the International Multiconference on Computer Science and Information Technology 2010, s. 805–812.

[4] Łanda K., Piłat A.K., Design and start-up of spherical robot with internal pendulum, IEEE, 10th International Workshop on Robot Motion and Control (RoMoCo) 2015, s. 27–32.

[5] Łanda K., Piłat A.K., Design of a controller for stabilization of spherical robot’s sideway oscillations, IEEE, 21st International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics (MMAR) 2016, s. 484–489.

[6] Piłat A., Analiza sprężystości i tłumienia przy lokowaniu biegunów w systemie aktywnego zawieszenia magnetycznego, „Automatyka” 2009, t. 13, z. 1, s. 43–54.

[7] Piłat A., Kornecki A.J., Thiriet J.M., Grega W., Sveda M., Industry feedback on skills and knowledge in real-time software engineering, 19th EAEEIE Annual Conference 2008, s. 129–133.

[8] Piłat A., Piątek P., Marchewka D., Pauluk M., Przetwarzanie i analiza sygnałów w dedykowanym środowisku szybkiego prototypowania regulatorów dla silników elektrycznych, „Automatyka” 2009, t. 13, z. 3/1, s. 1181–1187.

[9] Piłat A., Sterowanie układami magnetycznej lewitacji, rozprawa doktorska, AGH Katedra Automatyki, Kraków 2002.

[10] Piłat A., The Programmable Analog Controller. Static and Dynamic Configuration, as exemplified for Active Magnetic Levitation, „Przegląd Elektrotechniczny” 2012, 88, 4b/2012, s. 282–287, ISSN 0033-2097.

[11] Piłat A., Turnau A., Neural adapted controller learned on-line in real-time, IFAC Proceedings Volumes 2009, t. 42, z. 13, s. 47–52.

[12] Piłat A., Turnau A., Time-optimal control supported by PD in real-time, IFAC Proceedings Volumes 2012, t. 45, z. 25, s. 158–163.

[13] Piłat A., Włodarczyk P., The µ-synthesis and analysis of the robust controller for the active magnetic levitation system, „Automatyka” 2011, t. 15, z. 1, s. 85–98.

[14] Piłat A.K., Źrebiec J., Sikora B., Neural velocity observer trained with experimental data supporting stabilization of magnetically levitating sphere, IEEE, 12th Asian Control Conference (ASCC) 2019, s. 214–219.

 

[15] Rosół M., Piłat A., Tumau A., Time-optimal control for reaction wheel pendulum, IEEE, 21st International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics (MMAR) 2016, s. 1057–1062.

[16] Rosół M., Piłat A., Turnau A., Real-time controller design based on NI Compact-RIO, IEEE, Proceedings of the International Multiconference on Computer Science and Information Technology 2010, s. 825–830.

[17] Różewicz M., Piłat A., Study on controller embedding stage using model-based-design for a bike with CMG, IEEE, 23rd International Conference on Methods & Models in Automation & Robotics (MMAR) 2018, s. 680–685.

[18] Rysavy O., Sveda M., Kornecki A.J., Hilburn T.B., Grega W., Piłat A., Thiriet J.M., Designing and Implementing International RSIC Engineering Curriculum, IEEE, First IEEE Eastern European Conference on the Engineering of Computer Based Systems 2009, s. 71–76.

[19] Tadeusiewicz R., Klocek J., Piłat A., Jabłoński M., Tylek P., Walczyk J., Adamczyk F., Szaroleta M., Sterowanie napędem zespołu chwytno-pozycjonującego w automacie skaryfikującym nasiona dębu, „Napędy i Sterowanie” 2017, nr 11, s. 82–87.

[20] Wilson S., Glotfelter P., Wang L., Mayya S., Notomista G., Mote M., Egerstedt M., The Robotarium, „IEEE Control Systems” 2020, t. 40, nr 1, s. 26–44.

To koniec darmowego fragmentu. Czy chcesz czytać dalej?