XXII Skup TRENDOVI RAZVOJA: “NOVE TEHNOLOGIJE U NASTAVI”, Zlatibor, 16. - 19. 02. 2016.

1

LABORATORIJE SA PRISTUPOM PUTEM INTERNETA U INŽENJERSKOM OBRAZOVANJU

Radomir Mitrović1, Nikola Jović2, Vladimir Cvjetković3,

Miloš Nedeljković4, Milan Matijević5 1,2,5Fakultet inženjerskih nauka Univerziteta u Kragujevcu, 3PMF Kragujevac, 4Mašinski fakultet

Univerziteta u Beogradu, Srbija 1radomir.mitrovic3@gmail.com, 2nikolajovic@live.com, 3vladimir@kg.ac.rs, 4mnedeljkovic@mas.bg.ac.rs,

5matijevic@kg.ac.rs Kratak sadržaj: U radu se analizira svrsishodnost i potencijal korišćenja laboratorija sa

pristupom putem Interneta. Kao ilustrativan slučaj koristi se WEB laboratorija na Fakultetu inženjerskih nauka Univerziteta u Kragujevcu koja je posebno dizajnirana i korišćena u zimskom semestru 2015. godine na predmetu Merenje i upravljanje koji je pohađalo oko 200 studenata. Na ovaj način, studenti izradi laboratorijskih zadataka mogu da pristupe putem Interneta sa bilo kog mesta u bilo koje vreme. Analizira se uspeh studenata u odnosu na prethodne godine, kada laboratorijskih vežbi nije bilo, kao i finansijski i obrazovni aspekt korišćenja WEB laboratorija u inženjerskom obrazovanju.

Ključne reči: WEB laboratorije, Inženjersko obrazovanje, Tutor sistemi

INTERNET MEDIATED LABORATORIES IN ENGINEERING EDUCATION

Abstract: In this paper purposefulness and potential of using internet accessed

laboratories are analyzed. As ilustrative case WEB laboratory on Faculty of Engineering Sciences, designed and used in winter semester 2015. for course Measurement and control, which was attended by almost 200 students, is used. This way students can perform laboratory excercises via internet from any place at any time. Students' results, compared to results from previous years when no laboratory excercises were available, are analyzed. Financial and educational aspects of using WEB laboratories in engineering education are also analyzed.

Key Words: WEB laboratories, Engineering education, Tutor systems

1. UVOD ICT tehnologije, uključujući i savremene mogućnosti korišćenja Interneta, otvorile su nove

mogućnosti za unapređenja svih nivoa obrazovanja. Pojava eLearning i Blended Learning koncepata učenja stvorila je posebne oblasti nastavnih metodologija. Srpsko društvo se relativno brzo uključilo u te tokove [1], respektujući praksu najboljih [2], i dozvoljavajući najambicioznijim pojedincima da kreiraju elektronske alate u podršci nastavi i učenju [3-4], u početku, a kasnije, postavljajući i određene standarde kroz interne mehanizme obezbeđenja kvaliteta (poput http://moodle.mfkg.rs/course/view.php?id=248).

Međutim, obrazovanje u inženjerstvu i prirodnim naukama zahteva i relevantnu laboratorijsku podršku i prateće resurse (adekvante nastavne materijale i obučeno nastavno osoblje). Cena jednog laboratorijskog mesta je relativno visoka (eksperimentalna oprema, računar, softver, mrežna infrastruktura), i zato su egzemplarne nastavne laboratorije sa 8 ili 20 radnih mesta prema standardima Komisije za akreditaciju i proveru kvaliteta (KAPK) još uvek retka pojava na srpskim visokoškolskim ustanovama (VŠU). Gotovo da nema VŠU gde postoji potpuna laboratorijska pokrivenost nekog studijskog programa, a događa se da oprema bude i nabavljena, i da posle toga, bude dugo van upotrebe, ili da se slabo koristi zbog loše interne organizacije, ili nedovoljne pripremljenosti dostupnog nastavnog osoblja. Problem je posebno ilustrativan za studijske programe za obrazovanje nastavnika (fizika, hemija, itd.) koji kasnije stečenu laboratorijsku praksu primenjuju u još skromnijim uslovima na nižim nivoima

XXII Skup TRENDOVI RAZVOJA: “NOVE TEHNOLOGIJE U NASTAVI”, Zlatibor, 16. - 19. 02. 2016.

2

obrazovanja. Otuda se javlja potreba za integracijom organizovanih laboratorijskih resursa za nastavu i učenje posredstvom ICT tehnologija, uz pristup putem Interneta. Primer jedne takve laboratorije, koja integriše resurse sa tri univerzitetske lokacije Češke i Slovačke, a namenjene obrazovanju neuniverzitetskih nastavnika u prirodnim naukama je [9]. Laboratorija je otvorenog pristupa, i trenutno je moguće koristiti te laboratorijske resurse i iz Srbije, sa bilo kog mesta i u bilo koje vreme.

Razvoj WEB laboratorija na Univerzitetu u Kragujevcu je započeo pre više od 10 godina, i opisan je u radovima V.Cvjetkovića [6-12]. Nekoliko WUS i Tempus projekata, od 2006 do 2013 godine, podržavali su ovaj razvoj na Univerzitetu u Kragujevcu. U zimskom semestru šk. 2015/16, u kontekstu novog projekta [13], razvijena je WEB laboratorijska podrška [14] za nastavni predmet Merenje i upravljanje, koji je upisalo 190 studenata III godine Fakulteta inženjerskih nauka Univerziteta u Kragujevcu. U ovom radu će biti predstavljeni metodološki apspekti uvođenja WEB laboratorije u nastavu. Zatim, razmatrana je metodologija za analizu efekata web laboratorija u nastavi [15]. Analizirani su efekti i na primeru pomenutog predmeta.

2. IMPLEMENTACIJA WEB LABORATORIJSKIH VEŽBI U NASTAVNI PROCES

Implementacija WEB laboratorijskih vežbi u nastavni proces uglavnom proizilazi iz situacije • da je cena laboratorijskog modela previše velika da bi bilo obezbeđeno 8 ili 20

laboratorijskih radnih mesta sa istim laboratorijskim modelom, • da ne postoji raspoloživi prostorni i/ili ljudski resurs za laboratorijsku nastavu u

potrebnom broju laboratorijskih grupa (za 190 studenata – najmanje 10 grupa), • da u realnosti trenutno ne postoji laboratorijska podrška nastavnom procesu,

nezavisno od potrebe da se realizuju specificirani ishodi znanja. Upravo iz takvih uslova je nastala potreba za razvojem WEB laboratorijske podrške na predmetu Merenje i upravljanje (koji se realizuje na više studijskih programa osnovnih akademskih studija Fakulteta inženjerskih nauka Univerziteta u Kragujevcu).

Slika 1. WEB laboratorijski modeli na predmetu Merenje i upravljanje. Ilustracija Python koda za izvršavanje eksperimenata. Ilustracija jednog od eksperimentalnih rezultata.

Organizovana je WEB laboratorija nad laboratorijskim modelima koji ne mogu da proizvedu havarijske efekte i pogodni su za matematičko modeliranje (električna kola). Studenti dobijaju priliku da analiziraju efekte matematičkog modeliranja kroz simulacione odzive i uporede ih sa eksperimentalnim odzivima. Zatim, da sagledaju strukturu realnog sistema, tehničke aspekte njegovih elemenata, i posledice istih na eksperimentalni odziv. Student programira izvršenje laboratorijskih zadataka pisanjem Python koda. Metodologija laboratorijskih vežbi treba da omogući da izloženi teorijski koncepti predmeta postanu manje apstraktni i što shvatljiviji. Cilj je da kroz ukupni nastavni proces student postigne veću apsorpciju i ishode znanja, uključujuči i uvid u celinu veština koje se koriste u predmetnoj oblasti. Na LMS portalu predmeta su postavljene ekstenzivna uputstva za izvođenje laboratorijskih vežbi, koja obuhvataju: 1) model izveštaja, 2) postavku zadatka, 3) kratak izvod iz teorije sa modelima programa u Pythonu za izvršenje eksperimenata i preciznim uputstvima i linijama koda za dobijanje simulacionih odziva.

XXII Skup TRENDOVI RAZVOJA: “NOVE TEHNOLOGIJE U NASTAVI”, Zlatibor, 16. - 19. 02. 2016.

3

Rade se četiri laboratorijske vežbe u toku semestra. Ciljevi su da se putem simulacija i izvšenjem specificiranih eksperimenata (eksperimentalni i simulacioni rezultati bi trebalo da se poklapaju) razjasne pojmovi poput: 1) prelaznih pojava i karakteristika sistema u stacionarnom stanju i prelaznom procesu, 2) frekvencijskih osobina sistema, 3) stabilnosti sistema, i uticaja pojačanja P regulatora na stabilnost i druge osobine sistema, 4) podešavanja PID regulatora i ispitivanja rada sistema u uslovima dejstva poremećaja na sistem i promene zadate vrednosti.

Metodologija primene WEB laboratorije započinje kroz demonstracionu laboratorijsku nastavu, u okviru auditornih vežbi ili samih predavanja. Posle toga, studenti, u zadatom roku (7-14 dana), pristupaju izradi i predaji laboratorijskih vežbi. Putem Interneta, studenti mogu izvršiti laboratorijske zadatke sa bilo kog mesta u bilo koje vreme. Studenti, u skladu sa uputstvom, predaju izveštaje na LMS portalu predmeta. Izveštaji se brane u okviru završnog ispita. Svrha je podizanje motivacije studenata kroz problemski orjentisano učenje – da studenti jasnije uoče svrhu izloženih teorijskih koncepata, kapacitet i tehniku njihove primene. Zatim, da studenti u pravo vreme, i sa pravom merom, aktivno učestvuju u nastavnom procesu, i da kroz izradu laboratorijskih zadataka budu upoznati i sa korišćenjem simulacionih i programskih alata u oblasti. Zadati obim i dinamika studentskog angažovanja uvek mogu biti predmet rasprave. Otuda su laboratorijske vežbe precizno vođene uputstvima za izradu, predstavljaju ilustrativni scenario za teoriju koju inače treba usvojiti, i od studenata se ne insistira da unapred poznaju alate za izradu laboratorijskih vežbi: npr. programska rešenja su unapred data skeleton kodom u kome se menja konstanta ili svega nekoliko linija koda itd. Na ovaj način, student usvaja širu terminologiju predmetne oblasti, prolazi izvesnu obuku u savladavanju softverskih alata i korišćenju instrumentacije, i shvata obuhvat veština i znanja za uspešnu implementaciju teorije.

Po izvršenju eksperimenta, student dobija slučajan kod koji pridružuje kasnije izveštaju i na taj način se obezbeđuje da svaki student može koristiti rezultate koje je lično dobio.

3. ANALIZA EFEKATA WEB LABORATORIJA U NASTAVI Kako pouzdano identifikovati efekate primene nove nastavne metodologije [15] ? Analiza

efikasnosti studiranja u nekoliko susednih generacija studenata je data na Sl.1. Najveći procenti prolaznosti (oko 50% u januarskom roku) desili su se 2016, 2015 i 2012 godine. Šk. 2014/15 su uvedena četiri testa radi kontinualnog praćenja ishoda znanja studenata. Šk. 2015/16 su uvdene i lab. vežbe putem Interneta, i izlaznost, i prolaznost na testovima je porasla. Od 190 studenata, upisanih na predmet u šk. 2015/16, 139-153 studenata je radilo laboratorijske vežbe, a 109-158 je polagalo testove. U šk. 2014/15, predmet je upisalo 239 studenata, a testove je polagalo 113-143 studenta, dok je u januaru 2015. godine položilo 123 studenta (značajno bolji rezultat u odnosu na prethodne godine, usled uvođenja testova).

Slika 2. Efikasnost studiranja na predmetu Merenje i upravljanje.

Dati podaci, s obzirom da su populacije studenata ipak različite iz godine u godinu, mogu da ukažu da kontinuirane obaveze (laboratorijske vežbe i testovi) doprinose da manji broj

XXII Skup TRENDOVI RAZVOJA: “NOVE TEHNOLOGIJE U NASTAVI”, Zlatibor, 16. - 19. 02. 2016.

4

studenata odustane od ispita, kao i ranoj identifikaciji studenata sklonih odustajanju. Dalje, procenat studenata koji polažu u prvom ispitnom roku značajno raste (u odnosu na ukupno upisani broj studenata, ovaj procenat je oko 50%, a ako je referentni nivo ukupan broj aktivnih studenata na predmetu, efikasnost, merena prolaznošću u januarskom ispitnom roku, postaje 86% (2015) ili 74% (2016). Ovome treba dodati i kvalitativni kriterijum: laboratorijske vežbe su tako osmišljene da pružaju veće ishode znanja na predmetu.

4. ZAKLJUČAK

WEB laboratorije umrežavaju organizovane laboratorijske resurse i omogućavaju njihovo korišćenje autorizovanoj grupi korisnika u cilju istraživanja i obrazovanja (akademskog, strukovnog, permanentnog), kako se to popularno kaže „sa bilo kog mesta, u bilo koje vreme“. Ipak, to je emulacija realnog laboratorijskog ambijenta. Ukoliko VŠU nema relevantnu opremu, osoblje, prostorni kapacitet i/ili adekvatnu dokumentovanost laboratorijskih vežbi, tj. kada nema bolje alternative za laboratorijski rad – razvoj WEB laboratorija je jeftiniji i efikasniji put da se samostalno ili u saradnji sa drugim VŠU obezbedi laboratorijska podrška nastavnom procesu. Prednost je i što se dokumentovanost WEB portala permanentno poboljšava (opisi eksperimentalnih sistema, ciljevi i mogući zahtevi vežbi, tutorijali, ilustrativni primeri rezultata, banchmark testovi, studentski i drugi radovi itd.). Ovaj pristup doprinosi transparentnosti i standardizaciji nastave, i u određenoj meri, kompenzuje nedostatak resursa u sistemu obrazovanja (i ljudskih i materijalnih).

5. ZAHVALNICA

Rad je delimično motivisan odobrenim projektom IZ74Z0_160454/1 “Enabling Web-based Remote Laboratory Community and Infrastructure” of Swiss National Science Foundation

6. LITERATURA

[1] Милош Недељковић, Милан Матијевић, Жарко Ћојбашић, Међународна акредитација инжењерских студија, XVIII Скуп Трендови развоја: “Интернационализација универзитета“ Копаоник, 2012, ИСБН 978-86-7892-388-3

[2] http://ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering-and-computer-science/6-01sc-introduction-to-electrical-engineering-and-computer-science-i-spring-2011/index.htm, MIT OpenCourseWare, Massachusetts Institute of Technology, 2014.

[3] http://imi.pmf.kg.ac.rs/moodle/, Institut za matematiku i informatiku, PMF, Univerzitet u Kragujevcu, 2014. [4] http://moodle.mfkg.rs/, Fakultet inženjerskih nauka Univerziteta u Kragujevcu, 2014. [5] http://www.remlabnet.eu/, REMLABNET, Faculty of Applied Informatics Tomas Bata University in Zlin,

Faculty of Education, Trnava University in Trnava, Faculty of Mathematics and Physics, Charles University in Prague, 2016.

[6] Y. S. Sulema, V. M. Cvjetkovic, Remote Laboratory for Supporting e-Studies in Electronics, REV 2005, 30 June-1 July 2005 at "Transilvania" University of Brasov, Romania

[7] V. Cvjetkovic, On Line Experiments with linear analog systems from the first to nth order, REV 2006 (Remote Engineering and Virtual instruments), 29 - 30 June 2006, Maribor, Slovenia

[8] V. Cvjetkovic D. Stevanovic, M. Matijevic, Remote system for development, implementation and testing of control algorithms, REV 2006, 29 - 30 June 2006, Maribor, Slovenia

[9] V. Cvjetković, M. Matijević and M. Stefanović, Remotely controlled experiment for Gantry Crane, REV 2007, 25 - 27 June 2007, Porto, Portugal

[10] V.M. Cvjetković, M. Matijević and M. Stefanović, Universal web development system for implementation of controllers for remote real systems, REV 2008, 22 - 25 June 2008, Düsseldorf, Germany

[11] V.M. Cvjetkovic, M. Matijevic and M. Grujovic, Helicopter laboratory model experiment with web access, REV 2009, 22 - 25 june 2009, Bridgeport, USA

[12] V.M. Cvjetkovic and M. Matijevic, Remote Laboratory for Thermal Distributed System Testing, REV 2010, 29 June - 2 July, Stockholm, Sweden, p. 230 - 237, ISBN 978-3-89958-540-7

[13] SCOPES project “Enabling Web-based Remote Laboratory Community and Infrastructure”, 2015-2018. [14] http://147.91.203.57:3000/logout,Remote Laboratory at Faculty of Engineering, University of Kragujevac,

2015. [15] J.V. Nickerson et all, “A model for evaluating the effectiveness of remote engineering laboratories and

simulations in education”, Computers & Education, 49, p. 708-725, 2007