Využití výpočtů v Matlabu při on-line výuce

Matlab simulation using for on-line e-learning - Abstract

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.