Robert Kotrys
Instytut Elektroniki i Telekomunikacji
Politechnika PoznaĔska
Robert.Kotrys@et.put.poznan.pl
PERSPEKTYWY KSZTAàCENIA NA ODLEGàOĝû W DZIEDZINIE
ELEKTRONIKI I TELEKOMUNIKACJI
Streszczenie: W referacie przedstawiono
problema-tykĊ, związaną ze stosowaniem eksperymentów symulacyjnych w technikach zdalnego nauczania i samoksztaácenia. Przedstawiono przykáąd ekspery-mentu symulacyjnego kodowanie - dekodowanie, który powstaá w ramach projektu INVOCOM. Przedstawiono gáówne zaáoĪenia i cele dydaktyczne-go projektu INVCOM.
1. WPROWADZENIE
Tradycyjna forma przekazywania wiedzy i do-Ğwiadczenia opiera siĊ na bezpoĞrednim kontakcie pomiĊdzy uczniem a nauczycielem. To najbardziej naturalna forma dydaktyki, spontanicznie praktykowa-na przez kaĪdego z praktykowa-nas od wczesnego dzieciĔstwa w relacjach z rodzicami, rodzeĔstwem czy przyjacióámi. W spoáecznoĞciach o niskim stopniu rozwoju techno-logicznego jest to zwykle jedyna stosowana forma dydaktyki. Rozwój technologiczny spoáeczeĔstwa i związane z nim narastanie iloĞci wiedzy koniecznej do poprawnego funkcjonowania w spoáeczeĔstwie dopro-wadziáo do sformalizowania edukacji i specjalizacji. Pomimo ogromnego rozwoju technologii ta tradycyjna forma nauczania nadal pozostaje najwaĪniejszą i jak sądzĊ najbardziej efektywna metodą przekazywania wiedzy. Jednak, dziĊki nowym technologiom udaje siĊ znacznie poprawiü efektywnoĞü samoksztaácenia czy nauczania w sytuacjach, gdy dostĊp ucznia do nauczy-ciela jest utrudniony. Znanym od dawna, i najczĊĞciej wykorzystywanym narzĊdziem w procesie samoksztaá-cenia jest ksiąĪka oraz samodzielne eksperymenty. Upowszechnienie siĊ dostĊpu do technologii telekomu-nikacyjnych i informatycznych pozwoliáo na powstanie zdalnego nauczania. Do organizacji zdalnego kontaktu pomiĊdzy uczniem a nauczycielem wykorzystuje siĊ pocztĊ (kursy korespondencyjne), radio lub telefon (telekonferencje), telewizjĊ (wideokonferencje) a w ostatnich latach Internet. KaĪda z form zdalnego uczania zapewnia kontakt pomiĊdzy uczniem a na-uczycielem, w kaĪdym przypadku jest to jednak kon-takt w jakiĞ sposób ograniczony. EfektywnoĞü zdalne-go nauczania opiera siĊ w duĪej czĊĞci na dobrze zor-ganizowanym samoksztaáceniu i jakoĞci dostĊpnych materiaáów dydaktycznych. DziĊki zastosowaniu kom-puterów, tradycyjne drukowane materiaáy mogą byü zastąpione przez materiaáy interaktywne, zawierające nie tylko opis dziaáania omawianych systemów, lecz
równieĪ, programy symulacyjne pozwalające na prze-prowadzanie eksperymentów. Tak rozumiana interak-tywnoĞü materiaáów dydaktycznych pozwala (miĊdzy innymi) pobudziü wyobraĨnie, utrzymaü uwagĊ czy, zidywidualizowaü proces nauki. Eksperyment interak-tywny pozwala lepiej zrozumieü i zilustrowaü wykáad, pobudza do samodzielnego, twórczego myĞlenia [5]. Jak dotąd, pomimo szerokiego upowszechnienia róĪ-nych form samoksztaácenia i/lub zdalnego nauczania przy wykorzystaniu komputerów i materiaáów dydak-tycznych w formie elektronicznej, rzadko moĪna spo-tkaü przykáady eksperymentów interaktywnych. Zwy-kle mamy do czynienia z tradycyjnym drukowanym materiaáem dydaktycznym, udostĊpnionym w wersji elektronicznej czasem rozbudowanym o pewne nie-wielkie elementy interaktywne czy animacje.
W ramach programu Leonardo da Vinci powstaá projekt INVOCOM, którego celem jest stworzenie materiaáów dydaktycznych w formie dostĊpnych przez Internet interaktywnych eksperymentów z wybranych obszarów informatyki, elektroniki i telekomunikacji. W referacie przedstawione zostaną najwaĪniejsze zagad-nienia i problemy związane z stworzeniem i udostĊp-nieniem tego typu materiaáów.
2. EKSPERYMENT SYMULACYJNY JAKO SKàADNIK MATERIAàÓW
DYDAKTYCZNYCH
Tradycyjne materiaáy dydaktyczne w postaci ksiąĪki charakteryzują siĊ niezmienną zawartoĞcią, liniową formą prezentacji treĞci, niewielkimi moĪliwo-Ğciami ilustracji wykáadu i brakiem interaktywnoĞci. PodrĊczniki elektroniczne wydawane zwykle w formie páyt cd-rom są wzbogacane przez elementy multime-dialne i interaktywne. DziĊki wykorzystaniu komputera i wáaĞciwoĞci hipertekstu moĪliwe jest tworzenie mate-riaáów o nieliniowej formie prezentacji treĞci [1]. Pod-stawowy wykáad moĪe zostaü otoczony przez dodat-kowe "warstwy", które zawierają uzupeániające ilustra-cje, definiilustra-cje, dowody, animailustra-cje, przykáady, itp. ele-menty dostĊpne bezpoĞrednio z wielu miejsc wykáadu. Niestety jak dotąd, wiele elektronicznych podrĊczni-ków ogranicza siĊ do multimedialnego rozszerzenia tradycyjnego tekstu poprzez dodanie elementów audio, wideo i prostych animacji. InteraktywnoĞü jest nie-wielka, ograniczona do poáączeĔ hiprtekstowych i prostego wyboru jednej z kilku przewidzianych opcji.
2003
Poznañskie Warsztaty TelekomunikacyjneTakie podejĞcie do materiaáów dydaktycznych spraw-dza siĊ dobrze w humanistycznych dziedzinach dzy, jednak w przypadku technicznych dziedzin wie-dzy wydaje siĊ niewystarczające. Techniczne dziedziny wiedzy, np. takie jak elektrotechnika, elektronika czy telekomunikacja, charakteryzują siĊ duĪym znaczeniem eksperymentu w procesie dydaktycznym. Nawet naj-bardziej klarowny wykáad nie moĪe zastąpi zajĊü labo-ratoryjnych, które uczą sztuki obserwacji, kojarzenia faktów i wyciągania wniosków. Student moĪe samo-dzielnie i indywidualnie obserwowaü i interpretowaü zachowanie siĊ badanych systemów. Wysokiej jakoĞci materiaáy dydaktyczne przeznaczone do samoksztaáce-nia bądĨ zdalnego nauczasamoksztaáce-nia muszą zawieraü elementy pozwalające samodzielne eksperymentowanie studenta w trakcie nauki. OczywiĞcie najlepszym rozwiązaniem jest przeprowadzenie tradycyjnych zajĊü laboratoryj-nych. Niestety jest to rozwiązanie najkosztowniejsze, gdyĪ to wáaĞnie laboratoria stanowią (obok kadry dy-daktycznej) najcenniejsze i stosunkowo trudno dostĊp-ne zasoby kaĪdej uczelni techniczdostĊp-nej. Niekiedy są równieĪ spotykane "wirtualne" laboratoria [3]. Urzą-dzenia pomiarowe i badane ukáady wyposaĪa siĊ w interfejsy sieciowe i za poĞrednictwem specjalnego oprogramowania umoĪliwia siĊ zdalne sterowanie takim "wirtualnym" laboratorium. Rozwiązanie to nie wydaje siĊ jednak moĪliwe do zastosowania na szerszą skalĊ. Student jest pozbawiony bezpoĞredniego kontak-tu z badanym obiektem i aparakontak-turą przy wysokich kosztach koniecznej aparatury i utrzymania infrastruk-tury telekomunikacyjnej. SzczĊĞliwie, pewną czĊĞü eksperymentów moĪna przeprowadzaü w postaci sy-mulacji komputerowych. Nawet w tradycyjnych labo-ratoriach wyraĨnie widaü tendencje do zastĊpowania "twardych" ukáadów i systemów przez ich "wirtualne" symulacyjne odpowiedniki. W obszarze elektroniki, telekomunikacji i informatyki wydają siĊ istnieü szero-kie moĪliwoĞci zastosowania programów symulacyj-nych do realizacji eksperymentów dydaktyczsymulacyj-nych. Zarówno w badaniach naukowych jak i w pracach konstrukcyjnych róĪnego rodzaju symulacje i symula-tory są szeroko i z sukcesem wykorzystywane. Zasto-sowanie tych samych narzĊdzi w dydaktyce jest jednak czĊsto niecelowe lub nieracjonalne. Profesjonalne narzĊdzia symulacyjne muszą byü precyzyjne i uniwer-salne i niestety są skomplikowane w obsáudze i kosz-towne. Restrykcyjne warunki licencyjne i wysokie wymagania techniczne związane zwykle z takim opro-gramowaniem uniemoĪliwiają jego szerokie udostĊp-nienie do celów zdalnego nauczania czy samoksztaáce-nia, a proces nauki obsáugi takich narzĊdzi moĪe wy-magaü wiĊcej czasu niĪ analiza merytorycznego zagad-nienia związanego z eksperymentem. Jak wiĊc widaü istnieje potrzeba stworzenia oprogramowania symula-cyjnego dostosowanego do specyficznych potrzeb dydaktyki, zdalnego nauczania i samoksztaácenia. Pro-gramy symulacyjne powinny byü niewielkie, intuicyjne w obsáudze i nakierowane na ilustracjĊ wybranych, interesujących z dydaktycznego punktu widzenia pro-blemów [4].
Podstawą eksperymentów symulacyjnych prze-znaczonych dla zdalnego nauczania i samoksztaácenia
są niewielkie programy symulacyjne pozwalający moĪ-liwie wiernie zilustrowaü funkcjonowanie systemu omawianego w trakcie wykáadu, na tyle jednak ela-styczne i konfigurowalne by nie ograniczaü kreatywno-Ğci studenta. W przypadku zdalnego nauczania poĪąda-ne jest by eksperymenty symulacyjpoĪąda-ne byáy udostĊpnia-ne w taki sam sposób jak pozostaáe skáadniki elektro-nicznych materiaáów dydaktycznych. Podstawowym medium i narzĊdziem do prezentacji materiaáów dydak-tycznych w przypadku zdalnego nauczania i samo-ksztaácenia jest Internet i strony WWW. Programy symulacyjne powinny byü udostĊpniane przez strony WWW i uruchamiane za pomocą przeglądarki bez koniecznoĞci uprzedniego instalowania i konfigurowa-nia.
3. PROJEKT INVOCOM
W ramach II edycji programu Wspólnot Europej-skich na rzecz ksztaácenia i szkolnictwa zawodowego Leonardo da Vinci Komisja Europejska zdecydowaáa o finansowaniu projektu pt. "Ksztaácenie zawodowe studentów, inĪynierów i techników telekomunikacji z wykorzystaniem Internetu" (w oryginale "Internet-based vocational training of communication students, engineers, and technicians"), w skrócie INVOCOM.
Celem projektu INVOCOM jest stworzenie wyso-kiej jakoĞci materiaáów edukacyjnych, które zawierają interaktywne eksperymenty symulacyjne z wybranych dziedzin elektroniki informatyki i telekomunikacji. Zastosowaniem tworzonych materiaáów jest:
x wspieranie ksztaácenia studentów w dziedzinie telekomunikacji,
x wspomaganie maáych i Ğrednich firm w zakre-sie szkolenia pracowników ICT,
x zachĊcenie pracowników partnerskich universytetów do rozwijania dostĊpnej przez Interent oferty edukacyjnej w zakresie ICT i nabywania umiejĊtnoĞci pedagogicznych adekwatnych do nowych moĪliwoĞci technologicznych.
Tworzone materiaáy bĊdą udostĊpniane w Interne-cie (pod adresem: www.INVOCOM.et.put.poznan.pl).
Partnerami projektu INVOCOM są:
x Politechnika PoznaĔska, a w szczególnoĞci In-stytut Elektroniki i Telekomunikacji (Polska). x Ecole Nationale Superieure des
Telecommu-nications de Bretange (Francja).
x Tampere University of Technology (Finlan-dia).
x Institut National des Telekomunications (Francja).
x Instituto de Soldadura e Qualidade (Portuga-lia).
x Firma Activist Polska, sp.z.o.o.
Lista tematów materiaáów edukacyjnych przygo-towywanych w ramach projektu INVOCOM jest ob-szerna i nie jest prezentowana w niniejszym referacie.
Osoby zainteresowane szczegóáami projektu zaprasza-my do zapoznania siĊ z [2] lub stroną internetową pro-jektu pod adresem:
www.INVOCOM.et.put.poznan.pl.
4. STRUKTURA KURSÓW TWORZONYCH W RAMACH
PROJEKTU INVOCOM
Materiaáy edukacyjne tworzone w ramach projek-tu INVOCOM maja formĊ dostĊpnych przez Internet kursów. Przewidywane są dwie grupy odbiorców tworzonych materiaáów. Pierwsza to studenci elektroniki i Telekomunikacji w partnerskich uniwersytetach oraz studenci innych instytucji ksztaácących w zakresie ICT na poziomie inĪynierskim i magisterskim. Szkolenie zawodowe z wykorzystaniem Internetu ma byü elementem wyrównywania poziomu ksztaácenia pomiĊdzy róĪnymi grupami studentów oraz pomiĊdzy róĪnymi instytucjami. Planowane jest równieĪ wáączenie stwo-rzonych materiaáów do programu regularnych studiów na wszystkich partnerskich uniwersytetach. Druga gáówna grupĊ odbiorców stanowiü bĊdą inĪynierowie i technicy z przemysáu telekomunikacyjnego, uczestni-czący w kursach zawodowych oferowanych przez partnerów projektu przez Internet.
PrzyjĊto, Īe kaĪdy kurs bĊdzie miaá formĊ pod-rĊcznika elektronicznego w formacie HTML. Kurs, w zaleĪnoĞci od tematu, moĪe mieü róĪną objĊtoĞü. Mate-riaá dydaktyczny kursu zorganizowany jest w lekcje, których objĊtoĞü ma odpowiadaü 45 do 60 minutom pracy studenta. Kurs powinien zawieraü od 5 do 10 lekcji. Oprócz lekcji kurs zawiera stronĊ z opisem zawartoĞci i przeznaczenia kursu, Pytania testowe dotyczące materiaáu zawartego w kursie, sáowniczek definicji, skrótów, itp., oraz stronĊ pomocy wyjaĞnia-jącą zasady nawigowania wewnątrz kursu, obsáugĊ programów symulacyjnych zawartych w kursie, szcze-góáowe wymagania sprzĊtowe i programowe, listĊ znanych problemów w funkcjonowaniu programów symulacyjnych i sposoby ich rozwiązania.
KaĪda z lekcji powinna skáadaü siĊ z krótkiego wykáadu przedstawiającego okreĞlone zagadnienie, programu symulacyjnego ilustrującego to zagadnienie i zadaniami do wykonania przez studenta. Na koĔcu kaĪdej lekcji znajduje siĊ zbiór pytaĔ testowych, które pozwalają na samoocenĊ stopnia przyswojenia wiedzy.
PoniewaĪ tematyka kursów przygotowywanych w ramach projektu INVOCOM jest szeroka, do tworzenia programów symulacyjnych czy interaktywnych ekspe-rymentów wykorzystywane są róĪnorodne techniki:
x jĊzyki skryptowe (JavaScript, PHP), x aplety jĊzyka Java,
x obiekty active-X,
x obiekty w formacie Flash,
x DHTML przy wykorzystaniu oprogramowa-nia Matlab Web Server
Podstawowe znaczenie ma jednak wykorzystanie jĊzyka Java i osadzanych na stronach WWW apletów. JĊzyk Java jest bardzo elastyczny, udostĊpnia wiele uĪytecznych narzĊdzi, bibliotek uáatwiających zarówno
tworzenie záoĪonych algorytmów jak i wizualizacjĊ dziaáania systemu. Niewątpliwą zaletą jĊzyka Java jest przenoĞnoĞü aplikacji i duĪa niezaleĪnoĞü od platformy sprzĊtowo programowej.
Przy zagadnieniach takich jak przetwarzanie obra-zu czy sekwencji wideo szybkoĞü wykonywania kodu ma zasadnicze znaczenia dla komfortu pracy z progra-mem symulacyjnym. W tych przypadkach stosuje siĊ obiekty Activ-X tworzone w jĊzyku c++. Do urucho-mienia tych kursów konieczne jest zastosowanie plat-formy sprzĊtowej PC i systemu operacyjnego Win-dows.
W prostszych przypadkach, gdy algorytmy stoso-wane w eksperymentach symulacyjnych nie są zbyt skomplikowane zastosowany jest format interaktyw-nych animacji FLASH. Format ten doskonale sprawdza siĊ wszĊdzie tam gdzie szybkoĞü kodu nie jest krytycz-na a duĪe zkrytycz-naczenie ma warstwa wizualizacji proce-sów.
Rys. 1. Definiowanie struktury kodera splotowego
5. PRZYKàAD EKSPERYMENTU SYMULACYJNEGO - KODER KODU
KRATOWEGO
Jako przykáad interaktywnego eksperymentu bĊ-dącego elementem kursu projektu INVOCOM zapre-zentujĊ aplet jĊzyka Java realizujący funkcje binarnego systematycznego kodera splotowego
Aplet ten umoĪliwia analizĊ kilku aspektów dzia-áania kodu splotowego i budowy systematycznego kodera splotowego. W pierwszym punkcie üwiczenia przedstawiana jest struktura kodera splotowego, sposób definiowania kodu i struktury kodera za pomocą wek-tora wspóáczynników. W punkcie tym student moĪe zdefiniowaü dowolny koder splotowy z rozpatrywanej rodziny koderów obserwując jak zmiana wspóáczynni-ków wpáywa na zmianĊ ukáadu poáączeĔ kodera.
Rys. 2. Krata kodu.
W punkcie drugim wprowadzane jest pojĊcie kra-ty kodu. Student moĪe obserwowaü ukáad przejĞü na kracie kodu, obserwowaü zmiany kraty kodu wynikają-ce ze zmiany ukáadu poáączeĔ kodera. MoĪliwe jest obserwowanie kraty kody dla dowolnego kodera, a wprowadzane zmiany natychmiast widoczne są na rysunkach. Widoczny jest związek pomiĊdzy liczba przerzutników kodera a liczba stanów na kracie kodu. MoĪliwe jest dokáadne analizowanie schematu przejĞü pomiĊdzy stanami, wymuszeĔ i symboli wyjĞciowych dla kaĪdego stanu początkowego i koĔcowego.
Rys. 3. Zakodowana sekwencja.
Punkt trzeci zawiera prezentacje procesu kodowa-nia sekwencji wejĞciowej w sekwencjĊ symboli wyj-Ğciowych. Student moĪe obserwowaü kratĊ kodu obej-mującą wiele odstĊpów modulacji. MoĪliwe jest wprowadzenie sekwencji wymuszeĔ i obserwacja ĞcieĪki kodu w czasie procesu kodowania przy starcie kodera z dowolnego stanu początkowego. W punkcie tym wprowadza siĊ pojĊcie ĞcieĪki báĊdnej na kracie kodu. Jednym z zadaĔ jest analiza kraty zadanego ko-dera i wyznaczenie minimalnej ĞcieĪki báĊdnej kodu. Innym zadaniem jest zdekodowanie podanej sekwencji kodowej na sekwencje wymuszeĔ. W dowolnym mo-mencie moĪliwa jest zmiana konfiguracji kodera i
natychmiastowa obserwacja zmian w ukáadzie kraty kodu i przebiegu ĞcieĪki kodowanej sekwencji.
Podsumowując, w ramach tego interaktywnego eksperymentu student morze zbudowaü dowolny koder (z rozpatrywanej klasy kodów), na wielu przykáadach analizowaü związek pomiĊdzy parametrami kodera, ukáadem poáączeĔ kodera, krata kody, kodowaną i zakodowaną sekwencją. MoĪliwe jest wyznaczenie podstawowych parametrów kodu, porównanie kodów, "rĊczne" dekodowanie sekwencji kodowej i weryfika-cja wyniku, itp. Korzystanie z tego programu symula-cyjnego jest proste, intuicyjne, nie wymaga Īadnego wstĊpnego szkolenia, nic siĊ nie instaluje, program jest dostĊpny natychmiast po zaáadowaniu siĊ strony www. MoĪliwe są wáasne eksperymenty studenta wybiegają-ce poza instrukcje zawarte w lekcji. W programie sy-mulacyjnym wystĊpują jedynie takie elementy, które są bezpoĞrednio związane z omawianym zagadnieniem, co pozwala skupiü siĊ na merytorycznej stronie pro-blemu.
6. PODSUMOWANIE
Zdalne nauczanie i samoksztaácenie stawia dodat-kowe wymagania dla materiaáów dydaktycznych. Stu-dent zwykle ma utrudniony dostĊp do instruktora i laboratoriów. Aktywny udziaá studenta w nauczaniu realizowany poprzez samodzielne eksperymenty, jest niezbĊdnym skáadnikiem ksztaácenia szczególnie na kierunkach technicznych.
Literatura
1. Galvas B. "GaáĊziowy model podrĊcznika multi-medialnego", ..III Konferencja i Warsztaty -
Universytet Wirtualny, 6-7 czerwca 2003. 2. Szulakiewicz. P. "Ksztaácenie zawodowe
studen-tów, inĪynierów i techników telekomunikacji z wy-korzystaniem Internetu - projekt w ramach pro-gramu Leonardo Da Vinci", III Konferencja i
Warsztaty - Universytet Wirtualny, 6-7 czerwca 2003.
3. Rak R. "Rozproszone Wirtualne Laboratorium
Dydaktyczne dostĊpne przez Internet", III
Konfe-rencja i Warsztaty - Universytet Wirtualny, 6-7 czerwca 2003.
4. Nowicki K., Gieráowski K. "Ocena realizacji
pro-gramów symulacyjnych wspierających nauczanie teleinformatyki", Krajowe Sympozium
Telekomu-nikacji 2003, mat. konf. Tom C, str. 333 - 342, 10-12 wrzeĞnia 2003 Bydgoszcz.
5. Aldrich C. "Simulations and the future of lear-ning", Pfeiffer, A Wiley Imprint, Indianapolis 2003.
