VYSOKOŠKOLSKÉ e-laboratoře S PODPOROU VIDEOKONFERENCE FRANTIŠEK LUSTIG Univerzita Karlova v Praze Abstrakt: Na MFF UK jsou již čtyři roky v provozu vzdálené laboratoře. Studenti, ale i učitelé se mohou napojovat a sledovat a řídit experiment pomocí změny vstupních parametrů pokusu. Chyběl ovšem živý komunikační kanál, to se nyní změnilo. Vyzkoušeli jsme videokonferenční přenos z laboratoří. Vzdálené laboratoře byly zařazeny do výuky např. na PedF v Trnavě, k úlohám se přistupuje stejným způsobem jako ke klasickým laboratorním úlohám včetně protokolů. Klíčová slova: Vzdálené laboratoře, videokonference, Internet,ISES Abstract: Already four years have been in operation remote laboratories at the Faculty of mathematics and physics of Charles University. Not only students, but also teachers could hook up and monitor and influence an experiment by means of changing its input parameters Welcome with a novelty in laboratories - with videoconference transmission from laboratories. Examples of remote laboratories were included in courses in PedF Trnava. Key words: Remote laboratories, videoconference, Internet, ISES 1. ÚVOD Fyzikální laboratoře neměly dosud šanci se uplatnit v elearningu. Specifika přírodovědných laboratoří, reálné, živé experimentování zřejmě elearning nenahradí. Přesto se ale daří připravit reálné experimenty ovládané přes internet, které jsou téměř plnohodnotné hand made" experimentům v laboratořích, ba dokonce mají specifika, která jsou výhodnější než v reálných laboratořích. V příspěvku bude předvedena práce ve vysokoškolské e-laboratoři, budou objasněny principy i možnosti vybudování vzdálených laboratoří pomocí speciální SW stavebnice ISES WEB Control. V závěru jsou zveřejněny názory studentů. V současné době máme e-laboratoře doplněné videokonferenční technikou, která ještě více polidšťuje tento nový multimediální kanál.
2. VZDÁLENÉ LABORATOŘE Vzdálené laboratoře (remote laboratory) vznikaly už před několika lety. Jako jedni z prvních jsme je vyzkoušeli i na Matematicko fyzikální fakultě Univerzity Karlovy v Praze. Pomocí soupravy ISES [1], [2], [3] a SW stavebnice ISES WEB Control [4], [5] byly vytvořeny vzdálené experimenty, poté i vzdálené laboratorní úlohy. První a stále ještě je funkční je řízení výšky vodní hladiny (na adrese http://kdt- 14.karlov.mff.cuni.cz/mereni.html). U tohoto pokusu opravdu stačí pouze připojení na internet a prohlížeč (Internet Explorer, Mozilla, NetScape aj., pozn.: je potřeba mít nainstalovanou podporu Javu a u vašeho prohlížeče je potřeba Javu povolit). Na http://kdt-16.karlov.mff.cuni.cz jsou vytvořena další vzdálená sledování, kde můžete měřit teplotu, tlak aj. v Praze i s možností výběru dat a stažení dat. Úloha má pojetí remote sensing", úloha nemá řízení experimentu, pouze" se zde měří non stop měří a naměřená data se poskytují přistupujícímu klientovi. Ten si může stáhnout různá data, která se dají brát za základ dalšího jejich zpracování a porovnání. V úloze Elektromagnetická indukce, která je v provozu na http://kdt- 20.karlov.mff.cuni.cz, je zase možno ovládat rotaci cívky. Uživatel točí různou rychlostí cívkou v magnetickém poli, v cívce se indukuje napětí, velikost indukovaného napětí závisí na rychlosti rotující cívky, snímá se indukované napětí, úlohu lze sledovat WEB kamerou. V úloze je on-line vykreslován graf, lze spustit start a stop záznamu měření, dokonce několika měření. i tato měření lze přenést přes datovou schránku (clipboard) do vlastního počítače, např. rovnou do Excelu. Úloha je jednopřístupová, uživatel ji má k dispozici 5 minut, další uživatel čeká v řadě, resp. lze na požádání zvolit přístup přes heslo. Na obrázku č. 2 lze vidět průběh indukovaného napětí při různě zvolených napětích.
Obr. 1: Pokus elektromagnetická indukce, viz http://kdt-20.karlov.mff.cuni.cz V úloze je text fyzikální základ i úkoly pro měření. Rovněž je zde bohatá fotogalerie k danému experimentu. V úloze VA charakteristika fotodiody, která je v provozu na http://kdt- 4.karlov.mff.cuni.cz, je zase možno změřit voltampérovou charakteristiku fotodiody při různé úrovni osvětlení. Úlohu lze opět sledovat WEB kamerou, v úloze je on-line vykreslován graf, lze spustit start a stop záznamu měření, dokonce několika měření. i tato měření lze přenést přes datovou schránku (clipboard) do vlastního počítače, např. rovnou do Excelu. Úloha je jednopřístupová, uživatel ji má k dispozici 20 minut, další uživatel čeká v řadě, resp. lze na požádání zvolit přístup přes heslo.
Obr. 2: Pokus VA charakteristika fotodiody, viz http://kdt-4.karlov.mff.cuni.cz 3. Data v clipboardu, s daty lze dále pracovat např. v programu Excel viz obr. 4
4. Data v programu Excel Na adrese http://kdt-17.karlov.mff.cuni.cz se připravuje nová úloha Rezonance na pružině. Původně byla postavena na technologii Remote Panel" z LabVIEW, která umožňuje také řízení přes WEB prostor. Ale před přístupem do LabVIEW vzdálených laboratoří" je třeba si nejdříve doinstalovat speciální software "LV RunTime Engine 6.1 či 7.0". Zvláště na pomalých sítích je to velmi zdlouhavé a mnoho uživatelů to odradí hned na počátku. a uživatelé se bojí stahovat a instalovat si programy do svých počítačů. Některé instituce vám to prostě ani nedovolí. Pozn.: úloha se nyní přepracovává do naší ISES WEB technologie. Výše popsané experimenty jsou k dosažení 24 hodin denně. Dosud bylo připojeno přes 5 000 uživatelů, je vedena statistika přístupů. Jak to vypadá ve světě? Většina vzdálených laboratoří je na přístupové heslo, čili není to tak bezproblémové jako u výše popsaného přístupu na MFF UK. Lze se samozřejmě přihlásit i jako host, pak lze většinou také stáhnout data, řízení není moc interaktivní, podpora WEB kamery chybí, většinou se jedná o pouhé fotografie, videokonference nebyla k vidění nikde. Názory, které nám klienti píší nebo sdělují naše laboratoř jsou jaksi více interaktivní, více realističtější.
3. VIDEOKONFERENCE Co to je videokonference? Ve své podstatě jde o konferenci, která se souběžně koná v několika místech, jež jsou vzájemně propojeny sítí LAN, resp. i ISDN, technickými prostředky, které umožňují paralelní přenos obrazu, zvuku i dat. Ne všichni mají internet, a tak se videokonference dá přenášet i po telefonních linkách ISDN. Firemní sféra dokonce tento typ videokonferenčního spojení upřednostňuje, ISDN má garantované parametry. LAN sítě jsou sice výhodnější, ale přenosové parametry nejsou garantované. Komerční sféra rovněž dbá na bezpečnost, která je na telefonních linkách větší. Videokonferenčním přenosům předcházely audiokonferenční přenosy. Audio přenosy v IP sítích jsou problém, LAN sítě negarantují rychlost ani zpoždění paketů. Mnozí již vyzkoušeli jednoduchý videokonferenční přenos prostřednictvím programu NetMeeting a zjistili, že jeho použitelnost na pomalejších sítích je přinejmenším problematická. Proto vznikají dokonalejší kódování zvuku - dnes standard H323. Rovněž tak přenos obrazu prošel vývojem. Přenos obrazu vyžaduje přenos velkého objemu dat, další problémem je tedy on-line obraz. Dříve bylo možné provádět jenom přenos obrazu ze záznamu, po stažení celého souboru. S příchodem streemingových technologií je možný i průběžný přenos obrazu se zpožděním menším než jedna sekunda (využití hardwarového kodeku) či se zpožděním několik sekund při použití softwarového kodeku. Pro přenos videa uveďme standard H263, H264.
Obr. 5: Videokonferenční zařízení VSX 7000: základní jednotka s integrovanou kamerou, prostorový mikrofon, subwofer, Visual Concert, dálkové ovládání. Propojení VSX 7000 s ostatními signály (např. videomagnetofon, vizualizer, vnější kamera, vnější mikrofony, VGA výstup počítače, dataprojektor, ozvučovací souprava, LAN zásuvka, ISDN modul aj.). V současné době je velmi rozšířený jednoduchý program na IP telefonování SKYPE, kde je v posledním čase možnost připojit i WEB kameru a videotelefonovat. SKYPE spojuje studenty s učiteli, učitele mezi sebou, ale umožňuje to i spojení s laboratořemi. Student tak nemusí být pouhý divák, ale může se s obsluhujícím příslušného zařízení i domluvit.
Obr. 6: Pohled na připojení k experimentu pomocí SKYPE A nyní k laboratoři s videokonferencí. V rámci projektu MŠMT Multimediální distanční laboratorní studio" chceme zřídit nejenom naši jednu vzdálenou laboratoř, ale chceme vybudovat hned několik dalších vzdálených laboratoří na jiných školách. Propojení laboratoří bude nejenom technologií remote laboratory", ale k dispozici bude i videokonferenční kanál - skupinová videokonference kompaktního typu Polycom VSX 7000, které má velmi dobrou kameru s možností dálkového ovládání, kvalitní mikrofon s všesměrovou charakteristikou. Součástí kompaktní jednotky VSX 7000 je i kvalitní zvukový výstup podpořený subwoferem (speciální reproduktor přenášející nízké kmitočty včetně hlukových signálů) a rozšiřující jednotka Visual Concert, umožňující též přenos VGA signálu (např. počítačové prezentace), resp. další síťové připojení až 3 počítačů. Též je možné provozovat multipointní propojení (až čtyřbodové) účastníků videokonference. Videokonferenční přenos je nejkvalitnější pokud mají obě strany vlastní videokonferenční zařízení. To je velmi nákladné, avšak lze využít i tzv. streemování" přenosu na volně dostupný WWW server, resp. i připojení do videokonference typu VRVS (Virtual Room Videoconferencing Systém, http://www.vrvs.com).
Letos se objevila další novinka IP VCR Recorder (záznamník videosekvencí, resp. i počítačového prezentačního doprovodu). Tyto záznamy se po LAN síti ukládají na zařízení s IP adresou. Tyto záznamy lze ihned sreemovat, resp. on demand (na požádání, kdykoliv z internetové adresy opět spustit pomocí prostého prohlížeče). 4. PRAKTICKÉ ZKUŠENOSTI Z PROVOZU VZDÁLENÝCH LABORATOŘÍ S VIDEOKONFERENCÍ Z počtu přístupů i z ohlasů vidíme velký zájem o vzdálené laboratoře Jsme si vědomi, že to jsou přístupy zvídavých návštěvníků a nikoliv přístupy uživatelů vzdálených experimentů. Proto jsme s prof. Ing. F. Schauerem, DrSc., UTB Zlín vyzkoušeli pedagogický experiment na studentech Ped. fakulty v Trnavě. Cca 10 studentů vzdáleně měřilo praktika, odevzdávalo referáty, tak jako by se jednalo o standardní praktikum. i přes problémy síťového charakteru (pouze na této škole), studenti odevzdali své protokoly. V závěru měli zhodnotit možnosti a vhodnost vzdálených měření. Zde jsou jejich reakce: Nevýhody: Asi najväčšou nevýhodou bolo, že na našej fakulte (Ped. f. TU) sme mali problémy so sieťou. Meranie sa dalo uskutočniť len vo večerných hodinách alebo zavčas ráno. Niekedy prístup k experimentom bol zamedzený 8-10 hodín. Meranie týchto troch experimentov (spolu 9) nám trvalo niekoľko dní. Experiment kmity sa dal namerať len v Nitre. Nevýhodou pri meraní votampérovej charakteristiky fotočlánku je, že možno merať len istý časový interval. Potom sa spojenie preruší. Naše merania sme z tohto dôvodu museli niekoľkokrát opakovať. Pri experimente fotočlánok sme nevedeli určiť teplotu. Bolo by vhodné doplniť tento experiment o senzor na meranie teploty. Vzhľadom na krátke časové obdobie a pracovnú vyťaženosť naše protokoly nie sú dostatočne vypracované, za čo sa ospravedlňujeme. Veľmi ľahko sa môže stať, že nastanú problémy so sieťou (tak ako v našom prípade), a preto je vhodné zadať témy experimentov na dlhšie časové obdobie, napr. 8 experimentov na 8 týždňov.
Výhody: Najväčšou výhodou je možnosť merania bez toho, že by sme museli zostavovať zložité elektrické obvody. Stačil nám len počítač a USB kľúč. Tiež je veľká výhoda možnosť merať kedykoľvek máme čas. Pracovné listy sú dobre vypracované. Po ich preštudovaní sme s meraním na internete nemali problémy. Veľmi si ceníme snímky monitora, ktoré boli do pracovných listov priložené. Samotné meranie je rýchle, netrvalo viac ako niekoľko minút. Je dobré, že dáta možno ihneď preniesť do excelu a pracovať s nimi. V škole sme dáta zapisovali ručne a potom do počítača, čo je časovo veľmi zdĺhavé. Najviac sa nám páčili rôzne čidlá, pomocou ktorých môžeme meniť napätie, prúd alebo svetlo(to bolo super). Veľmi dobrý nápad je poslať namerané hodnoty do svojich emailových schránok. Toto by bolo dobré zaviesť ku všetkým experimentom. Tieto tri experimenty sú vhodné len pre študentov vysokých škôl. Ak by boli vytvorené jednoduchšie experimenty, mohli by prostredníctvom internetu merať i študenti stredných škôl na seminároch z fyziky. Myslíme si, že odozva na stredných školách by bola veľká. Študenti radi skúšajú všetko nové, najmä to čo má súvislosť s počítačom. Vzdialený experiment, podľa našich skúseností, má viacej kladných ako záporných stránok. Výhody a nevýhody sme zhrnuli do niekoľkých bodov. Pozn.: praktické zkušenosti z provozu fyzikální laboratoře s videokonferencí očekáváme v letošním roce. 5. ZÁVĚR Výzva: chcete mít na škole vzdálené experimenty, chtějí vaši žáci provozovat vzdálená měření, řízení, resp. sledování kamerou prostřednictvím internetu? Pak potřebujete soupravu ISES (tu má v současné době cca 350 škol v ČR a SR) a softwarovou stavebnici ISES WEB Control (viz www.ises.info ). Pro 10 zájemců máme zdarma softwarovou stavebnici ISES WEB Control včetně manuálu, kde jsou popsané jednoduché aplikace.
Pokud navíc vymyslíte uplatnění videokonferenčního přenosu ve výuce, ale i v mimoškolní činnosti, je vám zdarma k dispozici i naše videokonferenční zařízení. Přejeme všem tvůrcům i uživatelům on-line laboratoří, aby měli co nejméně problémů s jejich tvorbou a údržbou. Tento příspěvek vznikl za podpory Nadace ČEZ (darovací smlouva č. 93/05). Literatura 1. Lustig, F., Lustigová, Z., Vlášek, P.: ISES - příručka k soupravě Školní experimentální systém, Učební pomůcky PC-IN/OUT, Praha,1992, 107 s. 2. Pácal, L., Lustig, F.: ISES - WIN, příručka k programu ISES-WIN, Mentar + Učební pomůcky PC-IN/OUT, Praha,1996, 206 s. 3. Lustig, F.: Interaktivní internetové studio ises, in sborník ICTE 2001, Rožnov pod Radhoštěm, 27-31. 4. Lustig, F., Dvořák, J.: ISES WEB Control", softwareová stavebnice pro vzdálené laboratoře se soupravou ISES. Výroba učebních pomůcek PC-IN/OUT, U Druhé Baterie 29, 162 00 Praha 6, tel. 602 858 056, Praha, 2003. 5. Lustig, F.: The ISES WEB Control Software Kit for Simple Creation of Remote Experiments.In: sborník ICTE 2004, Rožnov pod Radhoštěm, 2004, s. 24-30. 6. Lisalová, J., Lustig, F.: elearning a laboratoře on-line. In III. Národní konference Distanční vzdělávání v České republice Současnost a budoucnost Uplatnění distanční formy pro vzdělávání dospělých Sborník příspěvků Red.: Lisalová, J., Freibergová, Z., Brno 30. 6. 2. 7. 2004, Vydaly: CSVŠ a NVF o.p.s. Praha 2004, s.192-197 ISBN 80-86302-02-4 Doc.RNDr. František Lustig, CSc. Matematicko fyzikální fakulta, Universita Karlova v Praze, kabinet obecné výuky fyziky Adresa: Ke Karlovu 3, 121 16 Praha 2 E-mail: Frantisek.Lustig@mff.cuni.cz