Podpora výuky s prostředím MATLAB
Klíčová slova: MATLAB, online kurzy, elektronické podpory výuky, courseware, MATLAB Grader, virtuální laboratoře, IoT
Letní období může být vhodným obdobím pro zamyšlení se nad inovacemi v jednotlivých předmětech – začleněním nových témat, přípravou nových příkladů a laboratorních úloh či nových studijních opor. Podívejme se, jakou podporu vysokoškolským učitelům v tomto procesu poskytuje společnost MathWorks.
Předně je třeba zmínit, že již téměř dvě desítky českých a slovenských univerzit využívají MATLAB ve formě celouniverzitní Campus-Wide Suite licence, která zajišťuje přístup k MATLABu a prakticky všem jeho toolboxům pro všechny studenty i zaměstnance univerzity kdykoli a kdekoli a také přístup k řadě dalších služeb. Tím se těmto univerzitám otevřel velký prostor pro využití MATLABu v různých formách výuky, v mezioborových nebo méně tradičních předmětech, ve studentských projektech a dalších. Kde tedy učitelé mohou čerpat inspiraci pro svoje zaměření?
OTS = Online Training Suite = interaktivní online kurzy
Mezi elektronické opory výuky patří především interaktivní online kurzy. K jejich spuštění potřebujete pouze počítač s webovým prohlížečem a připojením k internetu a MathWorks účet. Samotný kurz je možné kdykoli přerušit a pokračovat opět podle svých časových možností. Studenti mohou dát vyučujícím přístup ke sledování svého pokroku v kurzu podle jednotlivých kapitol, takže je možné ve výuce dobře navazovat na znalosti z jednotlivých kapitol kurzu. Pokud jsou vaši studenti zvyklí hledat materiály pro výuku v Moodle, je nově možné kurzy přímo začlenit do Moodle. A jaké kurzy můžete ve výuce využít? Kromě úvodních, přibližně dvouhodinových kurzů majících v názvu „Onramp“, existuje nyní více než desítka „velkých“ kurzů, které umožňují hlubší vhled do dané problematiky a jejich důkladné absolvování trvá i mnoho hodin. Za zmínku určitě stojí, že tyto „velké“ online kurzy si dnes firmy kupují pro své zaměstnance, takže certifikát MathWorks, který účastník kurzu získá jako doklad o jeho absolvování, se pak hodí i absolventům školy jako příloha k životopisu. Některá témata kurzů jsou samozřejmě věnována seznámení se s prostředím MATLAB & Simulink (MATLAB Onramp, Simulink Onramp, MATLAB Fundamentals, Simulink Fundamentals), z dalších témat vybíráme např. zpracování signálů, Deep Learning, Machine Learning, zpracování obrazů a počítačové vidění, návrhy řídicích systémů, optimalizace, statistika, programování, zpracování dat, elektrické obvody, bezdrátová komunikace, a další.
Online self-paced kurzy jsou dostupné na stránce https://matlabacademy.mathworks.com nebo je také všechny uvidíte po asociaci s MATLAB Campus-Wide licencí po přihlášení se k vašemu MathWorks účtu.
MATLAB Grader
Zřejmě nikdo z učitelů nemiluje přípravu a opravování studentských úloh – ať už jde o menší průběžné úkoly nebo závěrečné testy. Práci s hodnocením především průběžných úkolů během výuky v MATLABu je možné si usnadnit s využitím nástroje MATLAB Grader. Automatizované hodnocení úloh podle nastavených kritérií umožňuje studentům získání okamžité zpětné vazby s případnou možností opravy svého řešení. Souhrnné přehledy o rychlosti a správnosti studentských řešení zase poslouží vyučujícímu pro získání informace o pochopení probírané látky studenty. Jednotlivým kritériím a testům lze přiřadit váhy pro výpočet výsledného hodnocení testu a případná integrace Graderu do Moodle pak otevírá i další možnosti.
Příprava vlastních úloh do MATLAB Graderu může také zabrat nějaký čas, proto MathWorks poskytuje učitelům na vyžádání přístup k několika stovkám již připravených zadání v nejrůznějších oblastech – patří k nim např. programování, matematika, numerické metody, dynamické systémy, zpracování signálů, elektrické obvody a další. Připravené úlohy je možno převzít zcela nebo si pořídit jejich kopie a modifikovat je podle vlastních potřeb. Máte-li zájem o přístup k připraveným úlohám, napište nám na adresu info@humusoft.cz a přístup k úlohám vám zajistíme.
Přístup k vlastní službě MATLAB Grader prostřednictvím stránky https://grader.mathworks.com má kdokoli. V případě, že je Grader integrován do Moodle, nepotřebují studenti k řešení úloh ani MathWorks účet.
MathWorks CourseWare
Při inovaci a zavádění vysokoškolských předmětů je kromě přednášek a teorie třeba připravit i velké množství cvičení, laboratorních úloh, studentských projektů, popř. vysvětlujících animací, videí apod. Klíčové slovo Courseware popř. Featured Courseware zadané na stránkách MathWorks nebo přímo odkaz https://www.mathworks.com/…/courseware/ či https://www.mathworks.com/…se-materials vám pomůže najít řadu inspirujících materiálů pro výuku ve vaší oblasti. Může jít o interaktivní příklady ve formě LiveScriptů, aplikace, modely, projekty, úlohy, videa a tutoriály, a také virtuální laboratoře, knihy nebo celé sylaby z obdobně zaměřených univerzit – všechny tyto formy sjednocuje využití prostředí MATLAB ve výuce. Při hledání inspirace pomůže také rozčlenění podle předpokládaného stupně vzdělávání (od středních škol přes pregraduální vysokoškolskou výuku až k doktorskému stupni studia). Courseware je možno vyhledávat také podle zařazení do více než 30 disciplín podle oblasti využití, počínaje Aerospace Engineering přes např. Chemistry, Food Science, Material Science a další, až po Test & Measurements a Wireless Communication. Řada z interaktivních úloh a virtuálních laboratoří pochází přímo z dílny MathWorks, další pak pocházejí z různých světových univerzit. K mým oblíbeným patří např. „Convolution in Digital Signal Processing“ a „Virtual Hardware and Labs for Controls“. V roli vysokoškolského učitele vůbec nevím, kde vzít čas na přípravu podobných podkladů. A tady je vše pěkně připravené, popsané, strukturované, i s návody. Jen použít…
Cloudové služby – MATLAB Online, MATLAB Drive a MATLAB Mobile
Služby MATLAB Online (tj. MATLAB bez nutnosti instalace, běžící na serverech MathWorks) a MATLAB Drive (20 GB pro každého uživatele z univerzity) asi není třeba víc představovat. Ten, kdo si nechce instalovat MATLAB na svém počítači nebo kdo potřebuje sdílet svůj diskový prostor s kolegy, tyto nástroje jistě dobře zná. Pro podporu výuky bych tady ale ráda zmínila MATLAB Mobile – malou hezkou aplikaci do mobilu, která umí zajistit nejen komunikaci s cloudem MathWorks pro zpracování vašich MATLAB příkazů a funkcí, ale umí také přímo přistupovat k senzorům mobilního zařízení. Můžete tak snadno získávat data o zrychlení, magnetickém poli, poloze a analyzovat je přímo v MATLAB Mobile nebo MATLAB Online nebo je uložit pro pozdější zpracování. Přímo z MATLAB Mobile máte také přístup k fotoaparátu vašeho mobilu pro získání fotek a videi a k mikrofonu pro audiozáznamy. MATLAB Mobile tak vybízí k využití v podobě jednoduchých malých studentských projektů, které mohou řešit třeba i studenti střední školy. Některé příklady pro zpracování dat získaných ze senzorů mobilu s využitím MATLAB Mobile najdete v dokumentaci https://www.mathworks.com/…xamples.html. Kolega Martin Foltin má připravený pěkný příklad na experimentální stanovení konstanty tíhového zrychlení pomocí mobilu zavěšeného jako kyvadlo. Další inspiraci najdete také na MATLAB File Exchange – platformě, kde uživatelé MATLABu sdílejí svoje soubory: https://www.mathworks.com/…fileexchange.
IoT – Thing Speak
Thing Speak není mezi uživateli MATLABu příliš známý a přitom může ve spojení s low-cost hardwarem – např. Arduino, Rapsberry Pi – a různými jednoduchými senzory dobře sloužit jako pěkná učební pomůcka pro setkání s realitou a IoT. Malé studentské projekty s praktickým využitím streamování dat prostřednictvím této služby mohou být např. z oblasti Air Quality Monitoring, Energy Monitoring, Smart Farming a další. Příklady najdete třeba zde: https://www.mathworks.com/…ngspeak.html
Řada vysokých škol inženýrského i přírodovědného zaměření se při výuce setkává s problémy návazností předmětů, zbytečných duplicit v jednotlivých předmětech, provázaností teorie s praktickým využitím a dalšími. Vyučující základních inženýrských předmětů v počátečních semestrech studia se často musí vypořádat s nestejnou úrovní velkého množství nastupujících studentů a masivním počtem testů, které je třeba opravit. Během studia je stále třeba udržet motivaci studentů ke studiu, přitáhnout jejich pozornost k jednotlivým tématům, umožnit jim vidět souvislosti mezi jednotlivými předměty, zvyšovat jejich zájem o obor a prohlubovat jejich schopnosti využívat nabyté znalosti. Výše zmíněné nástroje celouniverzitní MATLAB Campus-Wide licence a další její možnosti mohou pomoci při řešení těchto a řady dalších úloh vysokoškolského vzdělávání.
Martina Mudrová (HUMUSOFT) , 11.8.2023