E-LEARNING A LABORATOŘE ON-LINE

E-LEARNING A LABORATOŘE ON-LINE JINDRA LISALOVÁ 1, FRANTIŠEK LUSTIG 2 Centrum pro studium vysokého školství 1, Univerzita Karlova v Praze 2 Abstrakt: V příspěvku je popsána možnost zařazení laboratoří on-line do elektronického vyučování. Při prezentaci budou zařazeny ukázky vzdálených laboratoří z České republiky i zahraničí. Webové adresy těchto stránek jsou uvedeny v příspěvku. Klíčová slova: e-learning, on-line laboratoře, vzdálené laboratoře, softwarová stavebnice Abstract: This paper describes the possibility of inserting a remote laboratory into e-learning, for example, remote experiments using the web pages in the Czech Republic and other countries in presentations. Web addresses of such pages are given below. Key words: E-learning, on- line laboratories, remote laboratories, software kit 1. ÚVOD Co je to e-learning je už většině vysokoškolské veřejnosti známé a ví, co si pod tímto pojmem alespoň představit, ale co je laboratoř on-line, už tolik známo není. Někteří učitelé by dokonce řekli, že to není vhodné, či metodické, protože pokud student nepřičichne pachu laboratoře (u chemické doslova) a nebude otáčet knoflíky nějakého přístroje, tak se přece nemůže nic naučit. Pod vzdálené laboratoře se zahrnují i virtuální laboratoře (pozor zde se pouze děje modelují, pracujeme s applety), někdy jsou dokonce pod vzdálené laboratoře zahrnuty i pouhé databáze experimentů, či sledování, resp. i jenom záznamy experimentů kamerou aj.. V článku budou zmíněny jenom laboratoře typu remote laboratory a remote sensing, kdy jsou na vzdálené straně opravdu aparatury. On-line remote laboratory existují asi ve třech mutacích. První pokusy byly odzkoušeny s jednoúčelovými nemodifikovatelnými aplikacemi typicky třeba amatérský model železnice, vozítka aj. uživatel si musel stáhnout speciální software client. Další kategorie jsou vzdálené experimenty využívající software LabVIEW, uživatel si opět musí stáhnout a nainstalovat speciální RunTimeEngine. A třetí skupinu tvoří vzdálené experimenty, kde jako klientský program stačí pouhý prohlížeč, např. Internet Explorer. Tato velmi zajímavá třetí možnost je popsána v našem příspěvku. O co jde v laboratoři na dálku a pro koho je určena? To vše jsme se snažili popsat níže. Bude to spíše pohled z uživatelské, klientské strany. Podrobnosti k serverové straně poskytne spoluautor Frantisek.Lustig@mff.cuni.cz. 2. CÍLOVÉ SKUPINY ON-LINE LABORATOŘÍ Chceme-li naučit nějakou teoreticky zvládnutou látku převodem do praxe, nebo vysvětlit nějaký např. fyzikální jev, většinou použijeme laboratoř. Jako učitelé fyziky víme, že stokrát řečené se nevyrovná jednou experimentu, který si student sám změří. Určitě jste se setkali s kyvadlovými hodinami a víte, že hnacím mechanismem je kyvadlo. Co je ale perioda, frekvence a jiné fyzikální veličiny, jak nakreslit rozvinutý pohyb kyvadla v časové ose atp.? Jestliže tyto kyvadlové hodiny, nebo pouze pružinu se závažím umístíme někam do laboratoře a umožníme k nim přístup a necháme je ovládat zvenčí, tak to je nejjednodušší typ vzdálené laboratoře. Co může student měnit? Co může pozorovat a jak mu umožníme, aby to ovládal? Stačí k tom spojení po Internetu, příslušný software, měřící a řídící hardwareové prvky a třeba i kamera. S pomocí e-learningu se student teoreticky připraví a v on-line laboratoři si úlohu vyzkouší. Asi cítíme, že se toto pojetí laboratorní úlohy blíží prezenční výuce, ale samozřejmě, že ne úplně. 192

Některé experimenty jsou tak nebezpečné, že přístup k nim může být pouze pomocí robotů. Jestliže umožníme, aby tyto experimenty byly přístupné z internetu, máme tady další online laboratoř. Může se stát, že jedna univerzita nemá peníze na vybavení drahé laboratoře, tak se spojí s jinou nebo jinými univerzitami a pak mohou tuto laboratoř sdílet. To umožní všem studentům z těchto univerzit se připojovat. Jestliže bychom nechtěli, aby se na tuto laboratoř dostali lidé zvenčí, tak stačí přístup na heslo, které se dá pouze osobám, jejichž přístup je žádoucí. On-line laboratoř je určena: Pro distanční výuku, tzn. výuku, která probíhá bez ohledu na čas a vzdálenost. Jako cvičný experiment pro ty studenty, kteří pak jdou do skutečné laboratoře. Pro větší návštěvnost drahých laboratorních experimentů. Pro sdílení několika univerzitami, které dají finanční prostředky na její vybavení. A nebo i jen tak pro zábavu, pro osvětu, pro rodiče i děti. 3. ON-LINE LABORATOŘE V ČESKÉ REPUBLICE Zeptáte-li se internetu na vzdálené laboratoře v České republice, dostanete mnoho odkazů, ale pouze několik jich je typu remote laboratory. A asi ta naše je nejlepší je to i názor cca 4000 návštěvníků.na adrese www.ises.info pod odkazem Vzdáleně řízená laboratoř (nebo přímo na adrese: http://kdt-14.karlov.mff.cuni.cz) je experiment, který můžete řídit pouhým prohlížečem. Zde, na katedře didaktiky fyziky Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy (MFF UK) je spuštěn pokus, při kterém napouštíte a vypouštíte vodu, nebo ji můžete nechat přetéct, když vypnete kontrolu detekce. Úlohu může současně ovládat i několik uživatelů najednou. Co se mohou studenti naučit na takto jednoduše ovládaném pokusu? Mohou se naučit, jak lze ovládat na dálku například výšky hladin v nepřístupných nádobách nebo nádobách s nebezpečným obsahem atd. U tohoto pokusu nám opravdu stačí pouze připojení na internet a prohlížeč (NetScape nebo Internet Explorer), avšak musí mít nainstalované některé podpory Java jazyku (je na to upozorněno v popisu experimentu: Pokud nejsou aktivní tlačítka Start a Stop v ovládacím panelu Řízení výšky vodní hladiny, musíte si ve Vašem Internet Exploreru nastavit podporu jazyka Java: Nástroje - Možnosti internetu Upřesnit: Microsoft VM - zatrhnout Kompilátor Java JIT zapnut (vyžaduje restartování), zatrhnout Konzole jazyka Java zapnuta (vyžaduje restartování) ). Takže vidíme, že i tady je už první omezení, i když se to na první pohled nezdá. Komu však toto nastavení chybí, tak experiment nespustí. Ovšem smůlu budou mít všichni uživatelé, kterým není dovoleno na počítači cokoliv instalovat nebo přeinstalovat, protože na to mají v organizaci administrátora. To potom musí čekat na spuštění jakéhokoliv experimentu do doby než má administrátor čas. Na to musí každý navrhovatel vzdálené laboratoře myslet. Co vše musí být na straně laboratoře: Měřící aparatura AD/DA převodník, který nám data převádí do počítače (v našem případě je to měřící a řídící jednotka sestavená ze školního experimentálního systému ISES, použité moduly ISES: modul relé, modul detektor), souprava pro řízení výšky vodní hladiny (nebo třeba pružina se závažím, robot atp.) a webová kamera, klasický WEB server a ještě několik serverových podpor pro měření, přenos obrazu aj. viz [2] Na podobně jednoduchém přístupu je úloha s měřením venkovní teploty a barometrického tlaku na adrese: http://kdt-16.karlov.mff.cuni.cz. Jedná se o úlohu typy remote sensing - neřídí se, pouze se sledují již naměřené výsledky. A nejvíce rozpracovaná úloha je na adrese: http://kdt-20.karlov.mff.cuni.cz. Tato úloha je již delší dobu vytvářena v rámci diplomové práce A. Řeháka z Pedagogické fakulty UK Praha, vedoucí diplomové práce je F. Lustig z MFF UK Praha. Uživatel točí různou rychlostí tyčovým magnetem. V cívce se indukuje napětí, které není dokonale sinusové, velikost indukovaného napětí závisí na rychlosti rotujícího magnetu. Napětí se měří soupravou ISES. Úlohu je možno ovládat, lze jí sledovat WEB kamerou, v úloze je on-line vykreslován graf a nyní to nejzajímavější: v úloze lze spustit start a stop měření, dokonce několika měření. A tato měření lze přenést přes datový soubor, ale i přes 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 pouze přes heslo. Prostředí úlohy viz obr. 1. Tato úloha se svou autentičností blíží pocitu, že opravdu měříte vy a že to není simulace. Rovněž výstupy z úlohy máte možnost zpracovat ihned na svém počítači. To vše vytváří pocit smysluplné laboratorní úlohy. 193

Už další úloha na katedře didaktiky fyziky a MFF UK se závažím na pružině (adresa http://kdt-17.karlov.mff.cuni.cz) je však ze strany uživatele nespustitelná, jestliže nemá nainstalovaný LVRunTimeEngine LabVIEW firmy NI. LabVIEW využívá technologii "Remote Panel", která umožňuje řízení přes WEB prostor. 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 (viz výše). Na stejné adrese si ještě můžete rozsvítit žárovku, která svítí na solární panel, který dále roztáčí elektromotorek. Jiné vzdálené laboratoře typu remote laboratory jsme v České republice neobjevili, takže můžeme konstatovat, že katedra didaktiky fyziky na MFF UK je v tomto průkopníkem. Obr. 1: Elektromagnetická indukce s rotujícím magnetem 3. VZDÁLENÉ LABORATOŘE VE SVĚTĚ Převážná část vzdálených laboratoří v zahraničí je vystavěna právě na LabVIEW (viz výše). Na oficiálních stránkách LabVIEW je až zarážející triviální aplikace. Nabíjení a vybíjení kondenzátoru (viz obr. 2.) v grafické podobě je zviditelněno WEB kamerou, když se s rostoucím, klesajícím napětím rozsvěcuje i žárovička. 194

Obr. 2: Nabíjení a vybíjení kondenzátoru doprovázené svitem žárovky Obr. 3: Regulační obvod s termistorem, který zahřívá žárovička Další jednoduchý experiment viz obr. 3 přináší na webové adrese: http://www.ni.com/academic/live_experiments.htm regulační úlohu s termistorem, který zahřívá žárovička ovládaná po internetu. Lze volit ruční i auto režim ovládání žárovičky. Úkolem je udržet na termistoru zvolenou teplotu. Žárovička se zahřívá a přenáší teplo na termistor, ale rovněž je využita k on-line vizualizaci WEB kamerou. Další úlohy rovněž vyžadují instalaci LVRunTimeEng: Na http://mechatronics.me.wisc.edu/webmotctrl/ si můžete zatočit motorem. Desítky stránek jsou pouhým textovým popisem, článkem v časopise. V tomto příspěvku jsme raději vybírali "živé" stránky. 195

Zajímavým odkazem na univerzitu, která vzdáleně provozuje několik úloh, je http://dynamics.soe.stevens-tech.edu/ (viz obr. 4). Zde jsou již úlohy strukturovány a mají jednotný formát. Připomíná to obdobu klasických praktik na VŠ. Úloha má teoretický úvod i praktické ověření on-line. Student-uživatel volí vstupní parametry a start měření. Naměřené výsledky jsou pomocí e-mailu přeneseny na adresu uživatele (tento moment je trochu nepříjemný, ne vždy máme pohotově přístupnou poštovní schránku). Dostává zpět nejenom naměřená data, ale i obrázky grafů. Podpora kamerou je zde omezena na fotografie, resp. si může video přehrát off-line, ale tak trochu tím mizí dojem autentičnosti. Další úlohy uvedeme pouze jako internetové odkazy bez obrázků. Nyní uvedeme také ty, která nevyžadují prostředí LabVIEW: na http://rr.informatik.tu-freiberg.de/ je model železnice s internetově ovládanými vláčky. Podpora kamery je on-line a je "živá". Na http://pumapaint.rwu.edu/ lze dálkově malovat a vytvořit si svůj obraz. Skleník s kytičkami ovládaný z internetu si můžete vyzkoušet na http://telegarden.aec.at/. Obr. 4: Rozcestník pro několik úloh z mechaniky, akustiky a elektřiny 4. ZÁVĚR Z výše uvedených faktů můžeme konstatovat, že on-line, nebo také vzdálené laboratoře už vznikly a vznikají jak v zahraničí, tak v České republice. Co doporučit jejich tvůrcům? Hlavně aby se podívali, jestli něco takového, co chtějí udělat, už někde není, a v tom případě se s tvůrci spojit a nechat si poradit, aby neopakovali stejné chyby. Někdy je dokonce ještě lepší takovou laboratoř netvořit a využít již hotovou tak, že na ni upozorníme své studenty. V současné době je k dispozici i softwarová stavebnice "ISES WEB Control" [2], která tuto problematiku pohodlně zpřístupní i těm tvůrcům, kteří v HTML umí pouhé statické stranky (!). Vzdálené laboratoře mohou být součástí e-learningu, ale také dobrým doplňkem prezenčního studia. Protože někdy se student něco učí a teprve v dalším semestru má laboratoře. U on-line laboratoří si může ten den, kdy se přednáší daná látka, seznámit s jejím využitím v praxi nebo pochopit závislosti ve vzorci na změnách měřených veličin. To však vyžaduje učitele, kteří o tom mají přehled a aktuálně zařazují nejnovější informace do výuky. Mohou k tomu též využít studenty a dát jim za úkol vyhledat na internetu nějaký pokus k výkladu příslušné látky a to ať se jedná o studenty prezenční, či distanční formy. Přejeme všem tvůrcům i uživatelům on-line laboratoří, aby měli co nejméně problémů s jejich tvorbou a údržbou a také aby nás už bylo více a mohli jsme konečně spustit "celosvětovou on line laboratoř". 196

Literatura 1. ŘEHÁK, A. Diplomová práce Fyzikální experimenty ve vzdálené laboratoři, vedoucí F. Lustig, MFF.UK Praha, 2004, v tisku. 2. LUSTIG, F., DVOŘÁK, J. ISES WEB Kontrol softwarová stavebnice pro podporu vzdálených laboratoří. In sborník POŠKOLE 2004, Praha. 3. http://www.ises.info. 4. http://www.ni.com. RNDr. Jindra Lisalová Centrum pro studium vysokého školství Národní centrum distančního vzdělávání U Lužického semináře 90/13, 118 00 Praha 1 E-mail: lisalova@csvs.cz RNDr. František Lustig, CSc. Univerzita Karlova v Praze Matematicko fyzikální fakulta Ke Karlovu 3, 121 16 Praha 2 E-mail: Frantisek.Lustig@mff.cuni.cz 197