Článek ukazuje možnost využití
simulací běžících na Matlab Web Serveru ve výukových modulech
provozovaných v systému pro elektronickou podporu výuky (LMS Class Server).
Matlab simulation using for on-line e-learning - Abstract
This article is focused on application Microsoft Class Server learning management system and its connection with Matlab web server - Matlab server.
Na ČVUT se používá celá řada
systémů pro elektronickou podporu výuky. Jeden z pokusů o implementaci
jednotné platformy, alespoň v rámci fakulty, byl učiněn na Fakultě
elektrotechnické. Po nezbytných úpravách a po úspěšném zkušebním provozu
v roce 2004 byl implementován systém pro podporu a řízení výuky (LMS) Microsoft
Class Server (CS). Provoz systému zajišťuje katedra telekomunikační techniky.
Využití systému pro
elektronickou podporu výuky
Class Server se řadí mezi systémy
LMS, které obecně umožňují tvorbu a editaci výukových materiálů, sdílení těchto
výukových materiálů, jejich distribuci určeným osobám (studentům, učitelům), automatické
či manuální vyhodnocování materiálů (úkoly, testy, protokoly) a jejich další zpracování,
administraci a skupinování uživatelů. CS byl primárně zaměřen na podporu výuky
na středních, příp. základních školách. Pro použití na VŠ a konkrétně na ČVUT
bylo nutno doplnit řadu funkcí a i když je systém převeden do češtiny, vyžádal
si ještě další stupeň lokalizace pro české studenty. Navíc bylo nutné CS
navázat na existující informační systém školy (komponenta studium, soustředěná
správa uživatelů).
Hlavní internetová stránka provozovaného
systému LMS s potřebnými informacemi, instalačními soubory (pro učitele) a
vstupem pro přihlášení studentů je dostupná na adrese http://www.lg.cvut.cz/. Pro přístup k LMS si
učitel instaluje speciální klientskou aplikaci. Studenti pak přistupují
k systému pomocí standardního internetového prohlížeče. V hlavní
části vstupní stránky se učiteli zobrazují úkoly, jež mají být již splněny a na
než si lze pro lepší orientaci aplikovat filtr pro zvolené třídy či skupiny
studentů. Současně jsou vypsány doručené úkoly (např. vyplněné testy, výsledky
z laboratorních měření atd.), na které lze ihned reagovat (ohodnotit test,
ohodnotit přiložený soubor apod.) a dále je zde jednoduchý kalendář úkolů.
V sekci Výukové materiály
jsou zobrazeny veškeré vytvořené či importované materiály. Výukové materiály se
vytvářejí pomocí podrobného průvodce, který umožní vybrat si vhodnou šablonu
stránky, její motiv a také přiřadit k tomuto materiálu další vlastnosti a
poznámky. Vytvořený materiál lze přiřadit vybraným studentům a nastavit u něj sdílení
pro všechny uživatele v CS. Výukový materiál může mít více podob:
- Samotný text (např. návod na lab. měření), text s obrázkem, vloženým
souborem (např. pdf) či hypertextovým odkazem
- Text s možností doplnění zadaných údajů (např. připravený
formulář s návodem na laboratorní měření s možností vepsat studentem
naměřené hodnoty)
- Text s možností přiložit k němu soubor (např. pro
upload vypracovaného referátu či zpracovaného laboratorního měření)
- Soubor otázek a odpovědí s možností volit mezi odpovědí,
nebo i odpověď vepsat do připraveného pole
- Kombinovaný výukový materiál může být složen z více stránek.
Do stránky je možné vkládat např. animace či videosekvence. Lze tak řadit např.
stránky s výkladem a prokládat je kontrolními otázkami, což je vhodné
např. pro samostudium.
Kurzy obsahující teoretický výklad
formou textu, obrázků, animací a kontrolních otázek jsem se rozhodli
doplnit on-line simulacemi volanými přímo z kurzů. Využíváme platformu
Matlab Web Serveru.
Využití Matlab serveru pro
výuku
Již několik let úspěšně
provozujeme server http://matlab.feld.cvut.cz.
Mimo vlastního výpočetního simulačního prostředí MATLAB® se nám totiž
osvědčila i komponenta pro webovou podporu MATLAB® Web server. Ta
umožňuje snadný přístup k vytvořeným simulačním programům ze sítě Internet
následujícím způsobem. Autor nejprve vytvoří vlastní program v prostředí
MATLAB. Pak k hotovému programu vytvoří vstupní webovou stránku pro
zadávání vstupních parametrů výpočtu a výstupní webovou stránku pro zobrazování
výstupů v textové, podobě, tabulkách, obrázcích a grafech. Vše se umístí
do definované adresářové struktury webového serveru.
Uživatel, který si chce spustit
vybranou simulaci, zadá do úvodní stránky, která je řešena jako formulář
publikovaný pomocí standardního redakčního systému, počáteční parametry výpočtu
a následně spustí vlastní výpočet. Komponenta MATLAB Web server se postará o
vyčtení všech parametrů z webové stránky a jejich předání příslušnému programu.
Po skončení výpočtu se opět postará o předání výsledků či grafů do výstupní
stránky simulačního programu.
Vstupní a výstupní webové stránky
lze snadno integrovat do prostředí systémů pro on-line výuku, založených vesměs
také na formátu html. Ukázka vstupního formuláře z kurzu „Vlastnosti
metalických přípojek“ je uvedena na obr. 1. Obsahuje řadu polí pro vstupní
údaje a tlačítko pro spuštění výpočtu
Obr. 1. Příklad stránky kurzu
se zadáváním vstupních parametrů pro on-line simulaci
Po odeslání požadavku a provedení
výpočtu se vrátí v novém okně výsledky (je možné vložit výsledky zpět i
přímo do stránky výukového materiálu, z něhož se program volá). Příklad
grafů získaných po výpočtu spuštěného ze stránky na obr. 1 ukazuje následující
obr. 2.
Obr. 2. Příklad výstupu
on-line simulace
Nejkomplexnějším
programem, který je umístěn na Matlab serveru a je využíván v několika
on-line kurzech, je program „Simulace přípojek xDSL“. Jeho hlavním úkolem je
simulovat přenosové prostředí metalické přístupové sítě a pro konkrétní
prostředí provádět výpočty přenosových parametrů různých typů přípojek xDSL
(SHDSL, ADSL/2/2+, VDSL/2). Vstupními parametry jsou topologie účastnického
vedení, charakter přenosového prostředí a typ xDSL přípojky. Program, dle
zadaných vstupních parametrů a pro zadanou přípojku xDSL, spočte hodnoty
teoretické přenosové rychlosti a další požadované hodnoty.
Pro oblast metalických vedení je
dále k dispozici model symetrických vedení, model nesymetrických vedení,
model kabelového stromu pro přípojky ADSL, simulace korekce časové oblasti u
ADSL. Pro optický přenos pak programy „Simulace šíření optického pulsu v
optickém vlákně“ a „Program pro simulaci křížové modulace“.
Další
oblastí, pro kterou jsou k dispozici na MATLAB serveru vytvořené simulace, je
hodnocení kvality hovorové komunikace pomocí E-modelu a výpočtu R-faktoru.
Program byl použit pro formování limitních hodnot k plánu přenosových
parametrů ve veřejné telefonní síti ČR. K dispozici je základní nástroj
pro výpočet, přepočet z MOS na R-faktor a program pro výpočet parametrů
spolupracujících sítí.
Pro podporu výuky v on-line
kurzech využíváme jednak komplexní výše uvedené programy, použitelné
v běžné technické praxi, jednak speciální programy pro osvětlení vybraných
teoretických principů. Na Matlab serveru v sekci „Podpora výuky“ je možno
nalézt programy seznamují se základními digitálními modulacemi jako je PSK,
QAM, PAM, DMT a dále např. programy:
- Výpočet chybovosti při přenosu s modulací QAM a PAM - teoretický
výpočet symbolové a bitové chybovosti v závislosti na odstupu signálu od šumu
(SNR) pro gaussovský šum při použití Grayova kódu.
- Výpočet útlumu a vstupní impedance vedení - program používá pro
demonstraci odrazů na vedení model dle BT pro kabely různého typu a různých
průměrů jádra. Lze měnit zakončovací impedanci (včetně vedení naprázdno a
nakrátko), propojit dva úseky vedení různého typu a zařadit nezakončenou
odbočku.
- Modelování přeslechů NEXT a FEXT a výpočet teoretické
propustnosti přípojky - program ukazuje frekvenční závislosti útlumu přeslechu
NEXT a FEXT, počítá signál a šum při zadaných podmínkách a počítá teoretickou a
praktickou propustnost přípojky.
- Kompenzace přeslechu FEXT - program ukazuje princip potlačování
přeslechu FEXT u modulace DMT. Počítá se chybovost BER pro systém bez
kompenzace a s kompenzací přeslechu. Uvažován je jeden rušící systém stejného
typu.
- Chybovost a Q-faktor u optického přenosu - program počítá
statistické charakteristiky signálu zatíženého šumem a z něj velikost Q-faktoru
a teoretickou pravděpodobnost chyby. Zároveň čítá skutečné chyby vznikající při
přenosu testovací sekvence v závislosti na nastavené rozhodovací úrovni a
zobrazuje oko rozhodnutí.
- Zabezpečení CRC - program podle zadaných vstupních parametrů
vytváří kódové slovo nesoucí uživatelskou informaci a zabezpečuje ho metodou
CRC. Dále pak simuluje přenos kódového slova zarušeným prostředím a provádí
detekci chybně přenesených bitů.
- Simulace komunikace mezi základnovou stanicí a mobilním
terminálem - program pro simulací některých funkcí základnové stanice a
mobilního terminálu.
Závěr
Systém pro řízení výuky Class
Server je v současné podobě používán na ČVUT FEL jako vhodný podpůrný nástroj
k výuce (např. zadávání materiálů pro samostudium, samostatných prací a
úkolů i testování znalostí studentů). Vedle podpory běžné výuky byla vytvořena
sada kurzů z oblasti telekomunikací určených pro samostudium i pro
celoživotní vzdělávání. Aktuální kurzy jsou k dispozici na webových
stránkách katedry telekomunikační techniky v sekci Nabízíme. Pomocí volání
výpočetních a simulačních programů přímo ze stránek on-line kurzů se podařilo
přidat významný interaktivní prvek elektronické podpory výuky.
Vzniklo za podpory rozvojových
projektů MŠMT „Program celoživotního vzdělávání se zaměřením na perspektivní
technické obory“ v roce 2007 a „Rozvoj informačních a komunikačních
technologií pro podporu elektronických forem výuky i praktickou průpravu
studentů“ v roce 2008.
Využití výpočtů v Matlabu při on-line výuce
