ERK'2022, Portorož, 461-464 461 Uˇ cne metode in orodja v procesu študija izbranih vsebin elektrotehnike na daljavo Urban Burnik Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko, LUCAMI E-pošta: urban.burnik@fe.uni-lj.si Remote teaching methods and tools in selected topics of electrical engineering The paper presents an overview of selected teaching meth- ods and tools utilized during the second pandemic wave of COVID 19 at University of Ljubljana, Faculty of Elec- trical Engineering. The proposed methods are discussed and some findings based on student and lecturer experi- ence are noticed. The results can be utilized in further remote lecturing practice. 1 Uvod V obdobju pandemije in nujnih ukrepov, s pomoˇ cjo kate- rih smo skušali omejiti širjenje pandemiˇ cne bolezni CO- VID 19 smo tudi na Fakulteti za elektrotehniko na hiter naˇ cin prešli na celovito izvajanje študijskih obveznosti na daljavo. S tem izzivom so se sooˇ cali po vsem svetu [1]. Študij na daljavo povezujemo z izvajanjem študijskih ob- veznosti na naˇ cin, pri katerem študentom na oddaljeni lo- kaciji omogoˇ cimo, da osvojijo študijske kompetence brez fiziˇ cnega stika s predavateljem ali laboratorijsko opremo. ˇ Ce smo se ob zaˇ cetku pandemije znašli pred izzivom, kako ob pomanjkanju ustreznih virov, znanja in izkušenj preiti na izvajanje študija na daljavo, smo v drugem valu pandemije že razpolagali z doloˇ cenimi izkušnjami, doda- tno opremo in potrebnimi viri, na katerih smo nekoliko bolj sistematiˇ cno zasnovali in izvajali študijski proces. Prispevek obsega specifiˇ cne izkušnje avtorja s celo- vito izvedbo študijskega procesa pri izbranih predmetih s podroˇ cja študija elektrotehnike, kot je potekala v štu- dijskem letu 2020/21. Lahko samo upamo, da se s tako strogo in dolgotrajno situacijo v bližnji prihodnosti ne bomo veˇ c sreˇ cali. Kljub temu so prikazane izkušnje lahko koristne v smislu razvoja uˇ cnih metod v prihodnosti. Ka- kovostna izvedba študijskih elementov na daljavo je lahko koristen komplement v razvoju študijskega procesa tudi v bodoˇ ce. 2 Elementi študijskega procesa in uˇ cna orodja za študij na daljavo Študijski proces visokošolskega izobraževanja je tesno vezan na uˇ cne naˇ crte pri predmetih akreditiranega študij- skega programa. Zato smo skušali v ˇ cimveˇ cji možni meri slediti predvidenim uˇ cnim naˇ crtom tako v smislu uˇ cnega procesa in predvsem doseganja ciljev in kompetenc, ki jih ob zakljuˇ cku izvajanja pridobijo študentje. V tem smislu smo morali poiskati ustrezne nadomestne rešitve za ko- munikacijo s slušatelji, izvedbo predavanj pred avditori- jem, opravljanje samostojnega dela študentov v laborato- riju in za preverjanje znanja. V nadaljevanju so predsta- vljeni posamezni elementi študijskega procesa skupaj z uporabljenimi tehnološkimi rešitvami. 2.1 Repozitorij študijskega gradiva Temelj organiziranega dela s skupino študentov je ustre- zen komunikacijski kanal, ki služi za obvešˇ canje študen- tov, deljenje gradiv in izmenjavo podatkov. Na Fakulteti za elektrotehniko že nekaj let v ta namen uporabljamo na- menski študentski portal Spletna uˇ cilnica FE. Pod vpli- vom širine in obsega potreb predavateljem in študentov je nekoˇ c lasten programski portal danes zasnovan na pa- ketu Moodle [2]. Obstoj portala že pred pandemijo je zagotovo doprinesel k lažji organizaciji dela na daljavo. Osnovna entiteta predmeta je predmet, v okviru katerega nosilec svobodno organizira dostop do gradnikov za štu- dente. Na voljo je obsežna zbirka gradnikov, organizira- nih v kategorijah Datoteke (HTML vsebine, PDF, doku- menti Office,...) in Dejavnosti (anketa, kviz, delavnica, povezava na spletno predavanje,...). Sodelujoˇ ce pri predmetu vsakoletno vnese Študent- ska pisarna UL FE, portal pa omogoˇ ca uporabo sezna- mov za obvešˇ canje in naˇ crtovanje aktivnosti ob pomoˇ ci vgrajenega koledarja. Portal omogoˇ ca tudi usklajeno od- dajo študentskih obveznosti, ocenjevanje oddanih del in terminsko planiranje zadolžitev. 2.2 Predavanja Za izvedbo predavanj je bilo potrebno poiskati primerno nadomestilo za predavanja v predavalnici pred avditori- jem. Navedeni cilj je tesno povezan tudi s tematiko in z naˇ cinom podajanja posameznih vsebin predmeta. Speci- fiˇ cno za predmete avtorja je, da je njihova vsebina vezana na matematiˇ cno razumevanje fundamentalnih gradnikov s podroˇ cja obdelave signalov in prenosa podatkov. Avtor je nekatere od svojih predmetov v prvem letu izvajanja na daljavo opremil z obsežno zbirko pripadajoˇ cih dokazov in izpeljav v obliki prosojnic. Na podlagi odziva študentov in študijskih rezultatov pa se je izkazalo, da v takšnem primeru študentje razlagi sledijo lažje in uˇ cinkoviteje, ˇ ce predavanje poteka na klasiˇ cen naˇ cin, s tablo in pisalom. 462 V ta namen je avtor predavalnico opremil na tak naˇ cin, da bi spremljanje izvajanja predavatelja bilo ˇ cimbližje izku- šnji študentov v predavalnici. 2.2.1 Zajem zvoka in slike ˇ Cutila slušatelja so se v veliki meri zmožna prilagoditi razmeram v predavalnici, pogledu in zornemu kotu proti predavatelju in zapisom na tabli kot tudi glasu predava- telja, celo v prisotnosti doloˇ cene mere hrupa. Prav tako predavanje v živo dopušˇ ca sproten odziv slušateljev na izvajanje predavatelja. Moteˇ ci dejavniki v okolju za prenos zvoka in slike na oddaljeno lokacijo slušatelja so neprimerno bolj vplivni. Oprema je bila zato izbrana in nastavljena tako, da je omogoˇ cala ˇ cimbolj nepopaˇ cen pogled na celotno izvaja- nje na tabli, zadostno kvaliteto slike in fokusiran zvok predavatelja. Za izvedbo predavanj je bila pripravljena fiksna po- stavitev opreme v predavalnici. Uporabili smo kamero Logitech Brio 4K [3] z nosilcem za stropno montažo. kamera je na ta naˇ cin bila fiksirana na lokaciji, kjer ni motila pogleda morebitnih slušateljev na fiziˇ cni lokaciji v predavalnici. Kamera omogoˇ ca zajem slike v visoki raz- loˇ cljivosti 4K Ultra HD 2160p s 30 sliˇ cicami v sekundi. Za zajem zvoka smo sprva naˇ crtovali uporabo brezžiˇ c- nega kravatnega mikrofona ali alternativno brezžiˇ cnih te- lefonskih slušalk Bluetooth. V praksi se je izkazalo, da vgrajeni usmerjeni mikrofonski sistem v kameri Logitech Brio govor predavatelja v vidnem podroˇ cju kamere za- jema tako dobro, da uporaba dodatnih mikrofonov ni bila potrebna. Zaradi montaže kamere na stropni nosilec na razme- roma majhni oddaljenosti je bila slika table izrazito tra- pezno deformirana. Ocenili smo, da bo spremljanje ak- tivnosti na tabli za študente bolj neposredno, ˇ ce bo oblika table na zaslonu ˇ cimbolj regularna. Cilj bi seveda zlahka izpolnili z montažo kamere v osi table, vendar bi s tem otežili morebitno hibridno izvajanje ob prisotnosti slu- šateljev v predavalnici. Zato smo se raje zatekli k upo- rabi programske kalibracije zunanjih parametrov kamere glede na njeno neznaˇ cilno postavitev. V ta namen smo uporabili odprtokodno programsko opremo OBS Studio [4] in dodatni filter za korekcijo trapezne oblike iz pro- gramskega vsadka StreamFX [5]. Navedena programska oprema omogoˇ ca še veˇ c funkcionalnosti, med katerimi velja izpostaviti prelive med veˇ c viri, vkljuˇ cno z navide- znimi (kot na primer zajem drugega ali celo oddaljenega zaslona). 2.2.2 Videokonferenˇ cni sistemi Prenos predavanj v živo lahko zagotovimo z uporabo šte- vilnih orodij za pretakanje (streaming) avdiovizualnih (A V) vsebin. Imamo dve možnosti, oddajanje A V vsebin (bro- adcast) kot tudi uporabo interaktivnih videokonferenˇ cnih orodij namenjenih predvsem za organizacijo spletnih se- stankov. Uporaba spletnega oddajanja je idealna v primerih, ko želimo dostop do vsebin omogoˇ citi velikemu številu upo- rabnikov. Seznam nekaterih svetovno znanih ponudnikov spletnega oddajanja A V vsebin obsega Twitch, Youtube Live, Facebook, Ustream in Livestream, ˇ ce naštejemo le nekatere. Navedena kategorija storitev ne omogoˇ ca inte- raktivnosti gledalcev, zato v ta namen lahko uporabimo vzporedne kanale ali klepetalnice (kot na primer Skype). Za manjše skupine je primernejša uporaba kolabora- tivnih in videokonferenˇ cnih sistemov, ki so v zadnjem ob- dobju pridobili bogate funkcionalnosti za izvedbo preda- vanj na daljavo. Njihova prednost je interaktivnost, saj v tem primeru slušatelji lahko enakovredno sodelujejo v razpravi med predavanji, tako z glasom kot tudi s sliko. Danes najbolj znana orodja vkljuˇ cujejo Cisco Webex [6], MS Teams [7] in Zoom [8]. V obdobju prvega vala pan- demije smo v veˇ cini primerov uporabljali lastno fakulte- tno orodje EFEPLUSMM, ki pa je zaradi stroškov upra- vljanja s sistemskimi viri za potrebe izvedbe predavanj v živo bilo kasneje opušˇ ceno. V obdobju, ki je predmet predstavitve, smo aktivno uporabljali komercialni orodji Zoom in MS Teams. Zoom je videokonferenˇ cno programsko okolje, ki je raz- cvet doživelo ravno v razmerah pandemije. Uporabljamo ga lahko v brskalniku ter z namenskimi aplikacijami za osebni raˇ cunalnik in mobilne naprave. Aplikacija je na voljo za brezplaˇ cen prenos, uporabniki pa se lahko odlo- ˇ cijo za prijavo na brezplaˇ cno storitev ali za veˇ c plaˇ clji- vih paketov. Zoom uporabnikom omogoˇ ca, da ustvarijo in vstopajo v navidezne sejne sobe, kjer lahko med seboj komunicirajo z uporabo videa in zvoka. Dodatne funkcije obsegajo deljenje zaslona, pošiljanje datotek in besedilno klepetalnico. Za vstop v sreˇ canje poleg aplikacije Zoom uporabnik potrebuje povezavo do sestanka ali identifika- cijsko oznako sestanka z geslom. Gostitelj se mora za organizacijo sreˇ canja registrirati. Sestanek v pripravi je lahko ˇ casovno naˇ crtovan ali pa takojšen, dopustna je tudi trajna raba iste povezave. Po uspešni pripravi sestanka organizator prejme oznako in geslo, ki ju neposredno ali v obliki URL povezave deli s povabljenci. Na voljo so številne opcije za nastavitev posamezne navidezne sejne sobe. Povabljenim se za vstop v sreˇ canje ni potrebno re- gistrirati. Poleg izvedbe sestanka Zoom omogoˇ ca snemanje zvo- ka in slike, deljenja zaslona in klepetalnice. Administra- torjem je na voljo vpogled v arhiv statistiˇ cnih parametrov kvalitete povezave za vsakega posameznega udeleženca. Zbirka API klicev za dostop do funkcij uporabe in upra- vljanja Zoom-a je javno dostopna in napredni uporabniki lahko na platformi gradijo lastne aplikacije. Razcvetu Zoom-a v obdobju pandemije je verjetno botrovalo dejstvo, da orodje omogoˇ ca promocijsko iz- vedbo videokonferenˇ cnih sreˇ canj v obdobju do 40 minut in je tako po sili razmer postalo predmet izbire številnih uporabnikov, ki so bili v delo na domu prisiljeni takore- koˇ c ˇ cez noˇ c, na voljo pa niso imeli ustreznih komercialnih orodij. MS Teams je komercialno kolaborativno programsko orodje podjetja Microsoft. Aplikacija omogoˇ ca hibridno delo partnerjev v skupini. ˇ Clani skupine med seboj izme- njujejo sporoˇ cila, delijo datoteke, naˇ crtujejo dejavnosti 463 ob podpori vgrajenega koledarja, dodeljevanje nalog in organizacijo avdiovizualnih sreˇ canj. Omogoˇ ceno je sne- manje in arhiviranje posnetkov v okolju MS Stream. Tudi MS Teams dopolnjujejo številne namenske aplikacije. MS Teams je dobro integriran v okolje Office 365 in omogoˇ ca neposredno vkljuˇ cevanje uporabnikov organi- zacije 365 v skupine. Že pred pandemijo je Microsoft aktivno promoviral programske opcije MS Teams za delo z uˇ cenci, dijaki in študenti, pri ˇ cemer je osnovna entiteta (skupina) povezana s slušatelji predmeta v izbranem le- tniku. 2.3 Samostojno delo Veˇ cina strokovnih predmetov v svojem uˇ cnem naˇ crtu vklju- ˇ cuje tudi praktiˇ cno delo v laboratoriju. Razvoj sodob- nih komunikacijskih sistemov je že dolgo povezan z upo- rabo profesionalnih orodij za simulacijo sistemov in di- gitalni razvoj. Pretežno gre za programska razvojna oko- lja, ki omogoˇ cajo celovit razvoj in simulacijo delovanja elektronskih sistemov tudi brez dostopa do strojne plat- forme, ki je predmet razvojnega procesa. tako dostop do fiziˇ cne opreme potrebujemo šele pri konˇ cnem testiranju produkta. Eno od najbolj razširjenih tovrstnih programskih oko- lij na podroˇ cju digitalne obdelave signalov in razvoja ko- munikacijskih naprav je Matlab. To orodje je že dolga leta vkljuˇ ceno v redni pedagoški proces v laboratoriju. V zadnjih letih je Univerza v Ljubljani v okviru nove licenˇ cne pogodbe pridobila pravice za delo s paketom tudi za študente na njihovi lastni opremi. Navedeno je bilo za izvedbo dela na daljavo kljuˇ cno, saj so študentje za potrebe opravljanja laboratorijskih nalog programsko opremo lahko namestili na lastni strojni opremi in tako v celoti lahko opravili predvideni delovni naˇ crt. Poleg okolja Matlab smo za samostojno delo študen- tov uporabljali tudi nekatera spletna orodja za naˇ crtova- nje in simulacijo posameznih opravil na podroˇ cju komu- nikacijskih tehnologij. 2.4 Preverjanje znanja Enega veˇ cjih izzivov pri oddaljeni izvedbi študijskega pro- grama predstavlja korektno preverjanje znanja. Pri tem je potrebno zagotoviti korekten odnos do vseh udeležen- cev preverjanja znanja in prepreˇ citi potencialne zlorabe. Nujno je, da uporabimo sistem ki je dovolj dodelan, da deluje zanesljivo in stabilno, ob tem pa mora biti uporaba za sodelujoˇ ce študente ˇ cimbolj intuitivna. Exam.net [9] je komercialna platforma v oblaku, ki izpolnjuje veˇ cino zahtev spletnega preverjanja znanja. Oko- lje omogoˇ ca nadzor nad osebnim raˇ cunalnikov uporab- nika, s ˇ cimer prepreˇ cuje uporabo nedovoljenih program- skih pripomoˇ ckov med izvedbo izpita. Na voljo je dostop do izpitnih nalog in portal za oddajo rešitev, pri ˇ cemer so slednje lahko v obliki elektronskega obrazca ali odda- nih fotografij roˇ cno napisanih rešitev. Oddaja je prepro- sta, s pomoˇ cjo telefona in QR oznake na izpitu. Sistem žal ne nudi integriranega video nadzora poˇ cetja uporab- nikov med izpitom, je pa v ta namen mogoˇ ce uporabiti katerokoli od videokonferenˇ cnih aplikacij, vzporedno na osebnem raˇ cunalniku ali mobilni napravi. 3 Rezultati in komentarji Po prvem valu pandemije smo pred novim študijskim le- tom naˇ crtovali obiˇ cajen potek študijskega programa s pri- sotnostjo študentov. Izvedba programa na daljavo je bila opcija, ki pa se je v poslabšanih epidemioloških razmerah izkazala za nujno. Vso potrebno komunikacijo s študenti smo izvedli pre- ko portala e.fe, na katerem so študentje prejeli potrebna navodila za delo, dostop do elektronskih gradiv, kjer so bila na voljo, ter povezave za oddaljeni dostop do preda- vanj. Med pripravami na semester so bili vzpostavljeni: • Repozitorij gradiv in navodila • A/V oprema predavalnice za prenos in snemanje predavanj • Oddaljeni dostop do laboratorijske opreme Namestili smo potrebno kamero Logitech Brio 4K in programsko opremo OBS z vsadkom StreamFX za tra- pezno korekcijo slike table. Delovanje vsadka prikazuje Slika 1. Slika 1: Trapezna korekcija slike v okolju OBS Studio. a) brez korekcije, b) korekcija z vsadkom StreamFX. Po urniku smo priˇ celi z izvedbo programov, na osnovi licence in analize funkcionalnosti smo se odloˇ cili za upo- rabo okolja Zoom. Izbrano okolje je omogoˇ calo prepro- sto integracijo povezave na predavanja preko repozitorija, izdelavo posnetkov predavanj v oblaku z dostopom za študente, preprosto upravljanje in deljenje ekrana. Doda- tna prednost okolja Zoom je možnost shranjevanja in ana- lize parametrov kvalitete A V storitve za vsakega posame- znega udeleženca, kar vzorˇ cno prikazuje Slika 2. Po lo- kalnih preizkusih smo priˇ celi z izvedbo predavanj v živo. 464 Med izvedbo se je izkazalo, da je zaradi velikih prome- tnih obremenitev okolje Zoom v A V prenosu predavanj omejeno na standardno razloˇ cljivost, torej najveˇ c 640 x 480 slikovnih toˇ ck. V takšni obliki zapisi na tabli niso bili primerno ˇ citljivi, spremljanje predavanj pa praktiˇ cno nemogoˇ ce. Omejitev velja le za uporabo kamere in ne za deljenje aplikacij, zato smo na naslednjih predavanjih skušali sliko s kamere prenašati v obliki deljenja zaslona. Žal je v tem primeru obremenitev strojne opreme prese- gla vsa priˇ cakovanja, aplikacija pa je postala neuporabna. V nadaljevanju smo prešli na uporabo aplikacije MS Te- ams, ki teh omejitev nima. Zadovoljstvo študentov se je normaliziralo, tako da je to postala konˇ cna izbira za iz- vedbo predavanj. Slika 2: Spremljanje QoS v okolju Zoom. Za potrebe oddaljenega laboratorijskega dostopa smo namestili zmogljivejše terminale, novo programsko opre- mo ter omogoˇ cili grafiˇ cni oddaljeni dostop preko zaseb- nega omrežja VPN. Izkazalo se je, da vsi študentje raz- polagajo z ustrezno lastno strojno opremo in na imajo dostop do ustreznih programskih licenc. Zato prehod na oddaljeno delo preko grafiˇ cnega terminalskega dostopa ni bil potreben. Opremljenost z opcijo oddaljenega dostopa ostaja odprta možnost za v prihodnje, posebej ˇ ce bomo v program dodali delo z namensko strojno opremo na- mešˇ ceno v laboratoriju. Laboratorijske vaje so študentje tako izvedli na domaˇ ci opremi z uporabo licenˇ cne pro- gramske opreme Matlab oziroma spletnih simulatorjev, kjer je to bilo primerneje. V terminu namenjenemu labo- ratorijski vaji je bil asistent na voljo za morebitne konzul- tacije. Rezultate vaje so študentje oddali v spletno uˇ cil- nico. Izkazalo se je, da ob spletni oddaji študentje svoji nalogi posvetijo veˇ c pozornosti kot v laboratoriju. Izdelki so bili samostojni, edinstveni in celoviti. Ob tem se za- vedamo, da je marsikateri študent med seznanjenjem s programsko opremo potrošil bistveno veˇ c ˇ casa, kot bi ga sicer v laboratoriju v živo. Sklepam pa tudi, da se je s tem poveˇ cala zmožnost samostojnega dela. Vsa izvedena predavanja kot tudi navodila za samo- stojno delo so bila posneta. Za snemanje smo uporabili programsko opremo OBS in s tem zagotovili optimalno kvaliteto posnetkov. Posnetke table smo opravili s pomo- ˇ cjo skenirne aplikacije za mobilni telefon in jih pretvorili v PDF format optimalne bitne globine. Posnetki preko portala EFEPLUSMM ostajajo dostopni tudi naslednjim generacijam. Aktivne povezave na posneto gradivo so na voljo v spletni uˇ cilnici. Ob zakljuˇ cku poletnega semestra je kazalo, da se bodo razmere konˇ cno normalizirale. Zadnja predavanja in sre- ˇ canja so lahko že potekala v živo. Žal so se razmere ko- nec maja ponovno poslabšale in smo na željo študentov in za zmanjšanje tveganja obolevnosti med izpiti tudi po- letno preverjanje znanja organizirali v okolju exam.net. Video nadzor je zaradi praktiˇ cnosti spremljanja posame- znih udeležencev potekal v okolju Zoom. Rezultati pi- snega izpira, sodelovanje študentov in stalna video po- vezava so pokazali solidno pripravljenost študentov. Na osnovi povpreˇ cno doseženih rezultatov lahko sklepamo, da je bil izpit opravljen korektno in da so študentje izka- zali samostojno znanje. 4 Sklep Ne glede na to, da smo skoraj celotno študijsko leto v drugem valu pandemije izvajalo na daljavo, ocenjujemo, da se znanje in osvojene kompetence študentov pri izbra- nih predmetih ne razlikujejo bistveno od obiˇ cajnih študij- skih let. V doloˇ cenih primerih je bilo opaziti poveˇ cano motivacijo za samostojno delo, kar pa je lahko posledica splošnega zapiranja in pomanjkanja družabnih študent- skih aktivnosti. Interakcija študentov tekom semestra je bila primerna, saj so predvsem doloˇ ceni študentje zelo aktivno sodelovali s komentarji in pozitivnimi pobudami. Kaže, da študentje ob uporabi elektronskih pripomoˇ ckov manj oklevajo in bolj odkrito sodelujejo. Dela s študenti v živo kljub pozitivni izkušnji spletna predavanja ne morejo nadomestiti, predvsem zaradi soci- alnih stikov. Verjamemo pa, da posneta predavanja, alter- nativne metode pouˇ cevanja in samostojno domaˇ ce delo lahko primerno dopolnjujejo uˇ cni proces tudi v razme- rah, ko zadržkov za osebne stike nimamo. Pridobljene izkušnje bodo zato ostale nadvse koristne. Literatura [1] Ahmed Dallal, Mohamed Zaghloul, and Amr Hassan. A study of students perspectives on different pedagogical practices for remote digital signal processing courses. In 2021 IEEE Frontiers in Edu- cation Conference (FIE), pages 1–5, 2021. [2] Moodle - open-source learning platform |moodle.org. https://www. moodle.org/. Accessed: 2022-07-20. [3] Logitech BRIO Webcam with 4K ultra HD video & HDR. https://www.logitech.com/en-roeu/products/webcams/ brio-4k-hdr-webcam.960-001106.html. Accessed: 2022-07-20. [4] Open Broadcaster Software |OBS. https://obsproject.com/. Acces- sed: 2022-07-20. [5] StreamFX (for OBS® Studio) |OBS. https://obsproject.com/forum/ resources/streamfx-for-obs-studio.578/. Accessed: 2022-07-20. [6] Video Conferencing, Cloud Calling & Screen Sharing |Webex by Cisco. https://www.webex.com/. Accessed: 2022-07-20. [7] Microsoft Teams - Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/ Microsoft_Teams. Accessed: 2022-07-20. [8] Video Conferencing, Cloud Phone, Webinars, Chat, Virtual Events |Zoom. https://zoom.us/. Accessed: 2022-07-20. [9] Exam.net - secure platform for online exams and assessments. https://www.exam.net/. Accessed: 2022-07-20.